NPT型IGBT电热仿真模型参数提取方法综述_徐铭伟

电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol．33No．1Jan.2013第33卷第1期2013年1月0引言近年来，绝缘栅双极型晶体管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor ）因其不断改善的电压、电流承受能力和工作频率、功率损耗等性能指标而被广泛应用到机车牵引、开关电源、新能源发电等电能变换和处理领域中［1］，因此IGBT 的可靠性受到国内外科研工作者的广泛关注。

研究表明，与IGBT 器件结温（T j ）相关的热循环过程和器件封装材料热膨胀系数不一致是致其故障的主要诱因［2-3］，IGBT 的电热仿真模型可以估计结温的变化情况，从而可用于IGBT 可靠性的评估。

国内外对IGBT 的电热仿真模型开展了大量研究工作［4-6］，其中基于半导体物理并考虑自热效应（Self -heating ）的IGBT A.R.Hefner 器件模型［6］和反映其封装传热过程的Cauer 网络［7-9］联合组成的IGBT电热模型准确度较高，并已在Saber 、Pspice 等电路仿真软件中得到应用［10-11］，但是，仿真软件有限的器件模型库无法满足仿真需要，同时出于技术保密的缘故，半导体制造商并不会提供建立电热模型需要的模型参数，因此如何建立一种有效并准确的参数提取方法就显得十分必要。

IGBT 电热仿真模型参数同半导体物理、器件以及封装结构直接相关，无法直接测量，只能通过一定的技术方法和手段获取。

一个有效的参数提取过程是获得有效的电热模型的前提条件；此外，实现模型参数的准确提取对于分析IGBT 的性能、优化驱动电路的设计、指导其应用以及选型都具有重要意义。

在参数提取之后，有效性验证也至关重要，可以让使用者合理选择器件的工作范围。

由于非穿通（NPT ）型IGBT 目前在工业领域中已获得了广泛而成熟的应用［12］，本文将以其作为参数提取的研究对象。

本文从NPT 型IGBT 电热仿真模型的工作原理出发，首先将模型参数分为电参数和热参数两大类。

然后对近年来模型参数提取方法的研究情况进行讨论，依据提取手段的不同将文献中出现的IGBT 电参数提取方法归纳为4类：仿真提取［13］；经验估计，如利用经验公式［12，14-18］、数据手册［15-16］或者参数典型范围［12］；参数隔离［19-27］；参数优化，包括直接搜索技术［14］、模拟退火算法［28-29］、变量轮换法［30-32］等。

同时归纳Cauer 网络的参数提取可以从IGBT 的封装结构［8-9，33-34］和封装瞬态热阻曲线［7，35-36］2个方向出发，并列表给出了提取电参数和热参数的不同方法之间的优缺点。

最后对各种提取方法进行了总结，并讨论了一个模型电参数提取步骤，以增强参数提取工作的有序性和可靠性，这对于提高IGBT 电热仿真模型的应用水平，扩大其使用范围起到了积极的作用。

1IGBT 电热仿真模型及其参数IGBT 的电热仿真模型是建立在考虑了半导体自热效应的Hefner 物理模型基础之上，耦合了受结温影响的器件模型及与散热路径相关的动态热模型。

在分析器件损耗特性、辅助电力电子设计以及研究因器件老化衰退引起的变换器端口特性等方面，ＮＰＴ型ＩＧＢＴ电热仿真模型参数提取方法综述徐铭伟，周雒维，杜雄，沈刚，杨旭（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044）摘要：对NPT 型IGBT 电热仿真模型的工作原理进行了概述，并将模型参数分为电参数（即基于半导体物理的Hefner 器件模型参数）和热参数（即反映器件封装传热的Cauer 网络参数）两大类，然后对近年来模型参数提取方法的研究情况进行讨论。

依据提取技术手段的不同将IGBT 电参数提取方法归纳为仿真提取、经验估计、参数隔离和参数优化4类，并从时效性、准确性、复杂性等方面对各种方法进行了比较和评价；从IGBT 的封装结构和封装瞬态热阻曲线2个方向出发讨论了Cauer 网络参数的提取。

最后讨论了一个模型电参数的提取步骤。

关键词：绝缘栅双极型晶体管；电热；仿真；模型；参数提取；热网络；电参数；热参数中图分类号：TM 322文献标识码：ADOI ：10.3969／j.issn.1006-6047.2013.01.026收稿日期：2011－08－09；修回日期：2012－10－19基金项目：科技部国际合作项目（2010DFA72250）；国家自然科学基金资助项目（51077137）；输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重点资助项目（2007DA10512711101）；中央高校基本科研业务费资助项目（CDJXS11150022）Project supported by the International Cooperation Project of the Minister of Science and Technology of China （2010DFA -72250），the National Natural Science Foundation of China （51077137），the Key Program in State Key Laboratory of Power Transmission Equipment &System Security and New Tech -nology （2007DA10512711101）and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China （CDJXS11150022）都得到了一定的应用［10-11，37-39］。

IGBT 的Hefner 数学-物理模型，以器件的物理结构为基础，根据半导体物理理论，综合运用一系列参数及状态变量构成描述器件物理特性的状态方程，通过联立MOSFET 部分的简单模型和双极输运方程，并考虑半导体器件的自热效应，来最终描述IGBT 的电热特征，其等效电路如图1所示［6］。

其中部分重要的模型状态方程、状态变量函数及参数等式归纳如下［11，40］。

a.IGBT 模型状态方程。

d U gs d t =I gC gs +C gd +C gd C gs +C gd ·d U bcd td U bc d t =I c -4D pW 2Q +1+1b C gd C gs +C gd I g -I mos1+1 C dsj +C gs C gd gs gd +C bcj QBd Q =I mos +（C dsj +C gd ）d U bc -C gdd U gs -Q τHL -Q 2B 4N 2BiI sneb.IGBT 模型状态变量函数。

U bc =U dsW bcj =2εsi （U bc +0.6）／（qN B ）姨W =W B -W bcjI mos =0U ds <U TK Plin （U gs -U T ）U ds-K Plin U 2ds2K Psat姨姨（gs T ）U ds ≤（U gs -U T ）K PsatPlinK Psat （U gs -U T ）22［1+θ（U gs -U T ）］U ds >（U gs -U T ）K PsatK Plin≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤C dsj =（A -A gd ）εsi ／W dsjC gd =C oxd U ds ≤U gs -U TdC oxd C gdj ／（C oxd +C gdj ）U ds >U gs -U Td≤c.IGBT 模型内温度相关性参数。

τHL =τHL0（T j ／T 0）τHL1I sne （T j ）=I sne0（T j ／T 0）Isne1j 0U T （T j ）=U T0+U T1（T j -T 0）K Psat （T j ）=K Psat0（T 0／T j ）K Psat1K Plin （T j ）=K Plin0（T 0／T j ）KPlin1部分参数名称及意义如下：b 为双极迁移率，c 为IGBT 各层封装材料比热容常数（J ／（kg ·K ）），C bcj 为基极－集电极耗尽层电容（F ），C cer 为集-射极再分配电容（F ），C dsj 为漏-源极耗尽层电容（F ），C eb 为射－基极结电容（F ），C gd 为栅－漏极电容（F ），C gdj 为栅－漏极耗尽层电容（F ），C ies 为IGBT 等效输入电容（F ），C oes 为IGBT 等效输出电容（F ），C res 为IGBT 等效反馈电容（F ），d 为IGBT 各层封装材料厚度（cm ），D P 为空穴扩散系数（cm 2／s ），E g 为硅材料的禁带宽度（温度300K 时1.12eV ），I b 为基极电流（A ），I bss 为稳态基极电流（A ），I ceb 为射－基结电容电流（A ），I cer 为集－射极再分配电流（A ），I css 为稳态集电极电流（A ），I cm 为Datasheet 里RBSOA 曲线集电极电流峰值（A ），I g 为栅极电流（A ），I mos 为IGBT 内部MOS 部分电流（A ），I mult 为基－集极倍增电流（A ），I sne0为发射极电子饱和电流25℃时的值（A ），J 为芯片电流密度（100~250A ／cm 2），K Psat0为饱和区跨导系数25℃时的数值（A ／V 2），K Plin0为线性区跨导系数25℃时的数值（A ／V 2），n i 为本征载流子浓度（cm －3），q 为电子电荷（1.6×10－19C ），Q 为瞬时基区过剩载流子电荷量（C ），Q B 为基区背景漂移载流子电荷量（C ），Q g 为栅极电荷量（C ），ΔQ 1为栅极充电第1阶段充电电荷（C ），ΔQ 3为栅极充电第3阶段充电电荷（C ），R b 为电导调制基极电阻（Ω），S 为IGBT 各层封装传热路径横截面积（cm 2），T c 为壳温（℃），ΔT jc 为由结到壳温差（℃），U bc 为基-集极电压（V ），U T0为阈值电压25℃时的取值（V ），U BR 一般为IGBT 最大耐压值再加上150~200V （V ），U gs 为栅－源极电压（V ），U ds 为漏－源极电压（V ），ΔU 1为栅极充电第1阶段栅－射极充电电压（V ），ΔU 3为栅极充电第3阶段栅－射极充电电压（V ），W 为准中性基区宽度（cm ），W bcj 为基区耗尽层宽度（cm ），W dsj 为漏源极耗尽层宽度（cm ），εsi 为硅电解常数（F ／cm ），λth 为IGBT 各层封装材料热导率（W ／（m ·K ）），ρ为IGBT 各层封装材料密度（g ／cm 3）。