[信息与通信]功率MOSFET模型的建立.ppt

2.5 功率MOSFET模型的建立 MOSFET实物图(TO-220) MOSFET实物图(TO-220S) IR公司HEXFET内部结构 2.5.2 功率MOSFET建模 2.6 IGBT模型的建立 IGBT模块内部结构 2.6.2 IGBT建模 一个单细胞功率MOSFET 一个单细胞功率MOSFET的等效电路 N沟道功率MOSFET的模型 1. 功率MOSFET的模型电路 结型场效应晶体管内部结构 2. 模型参数的提取 1）横向MOSFET参数的提取 主要涉及转移特性曲线和输出特性曲线，在曲线上确定本征跨导参数KP、门槛电压UT、源极电阻RS等。 2）纵向JFET参数的提取 漏电阻Rd、门槛电压UTO、电流增益Bt、饱和电流IS等。 3）体二极管参数的提取 结电容Cj0、恢复时间Tr、饱和电流IS1、体电阻RS1等。 4）其他参数 Cgd、Ca、Cgs由电容－电压特性曲线得到；Ubreak功率MOSFET的击穿电压。 功率MOSFET的子电路模型 3. 仿真结果 2.6.1 IGBT结构与特性 IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+发射区和N-飘移区之间的N+层。无缓冲区者称为对称型IGBT，有缓冲区者称为非对称型IGBT。因为结构不同，因而特性也不同。非对称型IGBT由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与此相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其他特性却不及非对称型IGBT。由于目前商品化的IGBT单管或模块大部分是非对称型IGBT，所以本课程就以具有缓冲区N+的IGBT进行讨论。 1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块 Powerex CM300DY-24H 4x IGBT 4x Diode 一. 非对称型IGBT的物理描述 ★ 电导调制 ★ 反向阻断 双载流子参与导电 二. 导通特性 IGBT的开通和关断时由栅极电压来控制的，当栅极加上正向电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。此时，从P+区注入到N-区的空穴（少数载流子）N-区进行电导调制，减少N-区的电阻Rdr，使高耐压的IGBT也具有低的通态电压特性，在栅极上施加反向电压后，MOSFET的沟道消除，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即被切断。 作为一个虚拟达林顿电路末级，PNP管从不进入深饱和区，它的电压降比处于深饱和区的同样PNP管要高。然而特别应该指出的是：一个IGBT发射极覆盖芯片的整个面积，因此它的注射效率和通态压降比同样尺寸的双极晶体管要优越得多。 三. 静态特性 当IGBT关断后，J2结阻断正向电压；反向阻断电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，正、反向阻断电压可以做到同样水平，但加入N+缓冲区后，伏安特性中的反向阻断电压只能达到几十伏，因此限制了IGBT在需要阻断反向电压场合的应用。 与普通达林顿电路不同，流过等效电路中MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。 式中VJ1为J1结的正向电压，其值约为0.7～1V；Vb为扩展电阻Rb上的压降；Ron为沟道欧姆电阻。 与功率MOSFET相比，IGBT通态压降要小得多，1000V的IGBT约有2～5V的通态压降。 因为高压IGBT中的?PNP小于1，所以PNP晶体管的基区电流，也即MOSFET的电流构成IGBT总电流的主要部分。这种不均衡的电流分配是由IGBT的结构所决定的。 四. 动态特性 IGBT动态特性 钳位效应：G-E 驱动电流≈ 二极管正向特性 拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢 IGBT的擎住（Latch）效应 SCR ★ 静态擎住 ★ 动态擎住 ★ 过热擎住 P区体电阻RP引发擎住 关断过急→位移电流 CJ—PN结电容 RG 不能过小，限制关断时间。 RP 及PNP、NPN 电流放大倍数 因温度升高而增大。 （150℃时ICM降至1/2） IGBT的通态特性 IGBT的电流容量 ★ 最大连续电流 IC ★ 最大脉冲电流 ICM ★ 最大开关电流 ILM 规定条件下，可重复开关电流的最大值。 ★ 允许短路电流 ISC 五. IGBT器件物理模型中的电容分布 Rb—厚基区调制电阻 Coxd—栅漏重叠氧化电容 Cm—源极金属层电容 Coxs—栅源重叠氧化电容 Cgdj—栅漏重叠耗尽电容 Cdsj—漏源重叠耗尽电容 Ccer—集射再分布电容 Cebd—射基扩散电容 Cebj—射基耗尽电容 栅源电容Cgs=Cm+Coxs 栅漏电容 Cgd＝Cgdj Coxd/(