IGBT功耗计算及其优化的研究
2014-09-17王瑞
摘 要： 绝缘栅双极晶体管（IGBT）因具备双极和功率MOSFET两种特性的独特优势，在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。但目前国内IGBT发展滞后，且其功耗性能及优化一直是国际上功率器件领域内研究的热点和难点。在先前研究的IGBT模型的基础上，对PSpice软件仿真所得的实验数据利用一种新的计算方法，对IGBT的静态功耗和动态功耗进行了定量计算， 并与实际IGBT的功耗值进行对比。结果表明，两者的数据基本一致，同时对IGBT功耗的优化进行了探讨研究。
关键词： IGBT； 静态功耗； 动态功耗； MOSEET； PSpice
中图分类号： TN386.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0122?03
Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.
Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice
0 引 言
绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）综合了功率MOSFET和双极晶体管（BJT）的输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近GTR的饱和压降）、耐压高、电流大[1]等优点而被广泛应用。但电力电子器件在实际应用中最受关注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率损耗对产品的结构设计及其实际应用都至关重要，降低器件的功率损耗是提高器件工作效率和实际应用效果的重要手段，同时也是国际上电力电子器件研究的热点。当然，国内外有关损耗研究的文献有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT静态和动态模型的基础上，对Pspice软件仿真所得的实验数据应用一种新的计算方法，对IGBT功耗进行研究、对比、分析及优化探讨。
1 IGBT结构及模型
IGBT的基本结构如图1所示，是在功率MOSFET的基础上发展起来的。其纵向结构为PNPN型结构，类似于MOS晶闸管，也相当于一个VDMOS与PN结二极管串联；横向结构与VDMOS结构没有区别，电流也是垂直方向流动的[3]。
3 IGBT功耗分析及优化
依据2.2节中计算功耗的方法和式（1）～（4），并按照图3所示的流程，就可以计算出模型开通状态及开通瞬时、关断瞬时和总的动态功耗；并与实际IGBT器件功耗比较，通过上述方法对IGBT器件模型开关功耗的测试值都在实际器件所提供的数据范围内，两者的结果基本一致。
器件的功耗是决定开关电路效率的重要因素。IGBT功耗优化的宗旨就是将静态和动态过程中的功率损耗都降到最小，最终得到功率损耗最低的IGBT器件[7]。
根据计算静态功耗的式子可知，要降低静态功耗就是要降低通态压降，而通态压降是受器件结构参数影响的。比如，图1中增加集电极P+的掺杂浓度可以使电阻率降低，寄生电阻减小，从而降低IGBT的通态压降；在其他条件不变的情况下，增大P+集电极的掺杂浓度，IGBT器件的正向饱和压降就降低，但这不可能是无止境增大的；其次，增大N+缓冲层的浓度，能使阻断特性所需要的宽度变小，但N+缓冲层的浓度又影响着器件IGBT的通态压降，这又是一个相互制约的关系；N基区载流子寿命直接影响N基区电导调制效应，好的电导调制效应可以有效地降低通态压降。
根据计算动态功耗的式子可知，要降低动态功耗主要考虑的是开通、关断瞬时器件IGBT集电极电流、集射极间的电压以及IGBT的开通、关断时间这四个量。对于开关器件IGBT而言，关断过程的时间要比开通过程的长，所以主要考虑关断功耗[7]。P+集电极掺杂浓度越高，在关断时电流下降的速度就越慢，关断功耗就越大；增加N+缓冲层浓度，关断时电流下降速度增快，关断功耗降低。
总而言之，对P+集电极掺杂及N+缓冲层浓度等影响IGBT功耗的因素都要进行折中考虑，这样才能使器件的功耗降到理想程度。
4 结 语
文中用来计算IGBT的静态功耗和动态功耗的方法在实践中具有一定的应用价值，使用时只要将实际功率器件在PSpice软件中仿真出静态和动态特性，就可以得到计算功耗所需要的数据。对IGBT功耗优化的探讨研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理论指导意义。
参考文献
[1] 蒋超，陈海民.电力电子器件概况及应用现状[J].世界电子元器件，2004（4）：74?76.
[2] 王烨.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011（3）：35?36.
[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究[D].西安：西安科技大学，2007.
[4] 李现兵，牛忠霞，张峰，等.现代电力电子器件[J].电源世界，2006（8）：54?57.
[5] 邓夷，赵争鸣，袁立强，等.适用于复杂电路分析的IGBT模型[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：1?7.
[6] 何进，张兴，黄如.电导调制型功率器件用穿通结构的基区优化理论[J].半导体学报，2000，8（8）：786?791.
[7] 凌宇.IGBT功耗优化的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.
摘 要： 绝缘栅双极晶体管（IGBT）因具备双极和功率MOSFET两种特性的独特优势，在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。但目前国内IGBT发展滞后，且其功耗性能及优化一直是国际上功率器件领域内研究的热点和难点。在先前研究的IGBT模型的基础上，对PSpice软件仿真所得的实验数据利用一种新的计算方法，对IGBT的静态功耗和动态功耗进行了定量计算， 并与实际IGBT的功耗值进行对比。结果表明，两者的数据基本一致，同时对IGBT功耗的优化进行了探讨研究。
关键词： IGBT； 静态功耗； 动态功耗； MOSEET； PSpice
中图分类号： TN386.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0122?03
Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.
Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice
0 引 言
绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）综合了功率MOSFET和双极晶体管（BJT）的输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近GTR的饱和压降）、耐压高、电流大[1]等优点而被广泛应用。但电力电子器件在实际应用中最受关注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率损耗对产品的结构设计及其实际应用都至关重要，降低器件的功率损耗是提高器件工作效率和实际应用效果的重要手段，同时也是国际上电力电子器件研究的热点。当然，国内外有关损耗研究的文献有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT静态和动态模型的基础上，对Pspice软件仿真所得的实验数据应用一种新的计算方法，对IGBT功耗进行研究、对比、分析及优化探讨。
1 IGBT结构及模型
IGBT的基本结构如图1所示，是在功率MOSFET的基础上发展起来的。其纵向结构为PNPN型结构，类似于MOS晶闸管，也相当于一个VDMOS与PN结二极管串联；横向结构与VDMOS结构没有区别，电流也是垂直方向流动的[3]。
3 IGBT功耗分析及优化
依据2.2节中计算功耗的方法和式（1）～（4），并按照图3所示的流程，就可以计算出模型开通状态及开通瞬时、关断瞬时和总的动态功耗；并与实际IGBT器件功耗比较，通过上述方法对IGBT器件模型开关功耗的测试值都在实际器件所提供的数据范围内，两者的结果基本一致。
器件的功耗是决定开关电路效率的重要因素。IGBT功耗优化的宗旨就是将静态和动态过程中的功率损耗都降到最小，最终得到功率损耗最低的IGBT器件[7]。
根据计算静态功耗的式子可知，要降低静态功耗就是要降低通态压降，而通态压降是受器件结构参数影响的。比如，图1中增加集电极P+的掺杂浓度可以使电阻率降低，寄生电阻减小，从而降低IGBT的通态压降；在其他条件不变的情况下，增大P+集电极的掺杂浓度，IGBT器件的正向饱和压降就降低，但这不可能是无止境增大的；其次，增大N+缓冲层的浓度，能使阻断特性所需要的宽度变小，但N+缓冲层的浓度又影响着器件IGBT的通态压降，这又是一个相互制约的关系；N基区载流子寿命直接影响N基区电导调制效应，好的电导调制效应可以有效地降低通态压降。
根据计算动态功耗的式子可知，要降低动态功耗主要考虑的是开通、关断瞬时器件IGBT集电极电流、集射极间的电压以及IGBT的开通、关断时间这四个量。对于开关器件IGBT而言，关断过程的时间要比开通过程的长，所以主要考虑关断功耗[7]。P+集电极掺杂浓度越高，在关断时电流下降的速度就越慢，关断功耗就越大；增加N+缓冲层浓度，关断时电流下降速度增快，关断功耗降低。
总而言之，对P+集电极掺杂及N+缓冲层浓度等影响IGBT功耗的因素都要进行折中考虑，这样才能使器件的功耗降到理想程度。
4 结 语
文中用来计算IGBT的静态功耗和动态功耗的方法在实践中具有一定的应用价值，使用时只要将实际功率器件在PSpice软件中仿真出静态和动态特性，就可以得到计算功耗所需要的数据。对IGBT功耗优化的探讨研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理论指导意义。
参考文献
[1] 蒋超，陈海民.电力电子器件概况及应用现状[J].世界电子元器件，2004（4）：74?76.
[2] 王烨.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011（3）：35?36.
[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究[D].西安：西安科技大学，2007.
[4] 李现兵，牛忠霞，张峰，等.现代电力电子器件[J].电源世界，2006（8）：54?57.
[5] 邓夷，赵争鸣，袁立强，等.适用于复杂电路分析的IGBT模型[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：1?7.
[6] 何进，张兴，黄如.电导调制型功率器件用穿通结构的基区优化理论[J].半导体学报，2000，8（8）：786?791.
[7] 凌宇.IGBT功耗优化的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.
摘 要： 绝缘栅双极晶体管（IGBT）因具备双极和功率MOSFET两种特性的独特优势，在超高电压电力传输、新能源的开发利用等方面获得广泛应用。但目前国内IGBT发展滞后，且其功耗性能及优化一直是国际上功率器件领域内研究的热点和难点。在先前研究的IGBT模型的基础上，对PSpice软件仿真所得的实验数据利用一种新的计算方法，对IGBT的静态功耗和动态功耗进行了定量计算， 并与实际IGBT的功耗值进行对比。结果表明，两者的数据基本一致，同时对IGBT功耗的优化进行了探讨研究。
关键词： IGBT； 静态功耗； 动态功耗； MOSEET； PSpice
中图分类号： TN386.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）17?0122?03
Abstract： Insulated gate bipolar transistor （IGBT） is widely used in ultra high voltage power transmission and new energy development utilization duo to its unique advantage of bipolar and MOSFET characteristics. In fact， the IGBT development in China lags behind， and its power performance and optimization have been the hotspot and difficulty in the field of power devices in the world. Based on previous studies on IGBT model， a new method to quantitatively calculate the static and dynamic power consumption of IGBT by using the experimental data of PSpice software simulation is proposed. The calculated data was compared with the actual power consumption values of IGBT. The results show that the data is consistent with the values. The optimization of IGBT power consumption is discussed in this paper.
Keyword： IGBT； static power consumption； dynamic power consumption； MOSEET； PSpice
0 引 言
绝缘栅双极性晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）综合了功率MOSFET和双极晶体管（BJT）的输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低（甚至接近GTR的饱和压降）、耐压高、电流大[1]等优点而被广泛应用。但电力电子器件在实际应用中最受关注的就是它的功耗，IGBT也不例外[2]。器件的功率损耗对产品的结构设计及其实际应用都至关重要，降低器件的功率损耗是提高器件工作效率和实际应用效果的重要手段，同时也是国际上电力电子器件研究的热点。当然，国内外有关损耗研究的文献有很多，方法也很多。在作者先前研究功率器件IGBT静态和动态模型的基础上，对Pspice软件仿真所得的实验数据应用一种新的计算方法，对IGBT功耗进行研究、对比、分析及优化探讨。
1 IGBT结构及模型
IGBT的基本结构如图1所示，是在功率MOSFET的基础上发展起来的。其纵向结构为PNPN型结构，类似于MOS晶闸管，也相当于一个VDMOS与PN结二极管串联；横向结构与VDMOS结构没有区别，电流也是垂直方向流动的[3]。
3 IGBT功耗分析及优化
依据2.2节中计算功耗的方法和式（1）～（4），并按照图3所示的流程，就可以计算出模型开通状态及开通瞬时、关断瞬时和总的动态功耗；并与实际IGBT器件功耗比较，通过上述方法对IGBT器件模型开关功耗的测试值都在实际器件所提供的数据范围内，两者的结果基本一致。
器件的功耗是决定开关电路效率的重要因素。IGBT功耗优化的宗旨就是将静态和动态过程中的功率损耗都降到最小，最终得到功率损耗最低的IGBT器件[7]。
根据计算静态功耗的式子可知，要降低静态功耗就是要降低通态压降，而通态压降是受器件结构参数影响的。比如，图1中增加集电极P+的掺杂浓度可以使电阻率降低，寄生电阻减小，从而降低IGBT的通态压降；在其他条件不变的情况下，增大P+集电极的掺杂浓度，IGBT器件的正向饱和压降就降低，但这不可能是无止境增大的；其次，增大N+缓冲层的浓度，能使阻断特性所需要的宽度变小，但N+缓冲层的浓度又影响着器件IGBT的通态压降，这又是一个相互制约的关系；N基区载流子寿命直接影响N基区电导调制效应，好的电导调制效应可以有效地降低通态压降。
根据计算动态功耗的式子可知，要降低动态功耗主要考虑的是开通、关断瞬时器件IGBT集电极电流、集射极间的电压以及IGBT的开通、关断时间这四个量。对于开关器件IGBT而言，关断过程的时间要比开通过程的长，所以主要考虑关断功耗[7]。P+集电极掺杂浓度越高，在关断时电流下降的速度就越慢，关断功耗就越大；增加N+缓冲层浓度，关断时电流下降速度增快，关断功耗降低。
总而言之，对P+集电极掺杂及N+缓冲层浓度等影响IGBT功耗的因素都要进行折中考虑，这样才能使器件的功耗降到理想程度。
4 结 语
文中用来计算IGBT的静态功耗和动态功耗的方法在实践中具有一定的应用价值，使用时只要将实际功率器件在PSpice软件中仿真出静态和动态特性，就可以得到计算功耗所需要的数据。对IGBT功耗优化的探讨研究，在制作IGBT器件和使用中有一定的理论指导意义。
参考文献
[1] 蒋超，陈海民.电力电子器件概况及应用现状[J].世界电子元器件，2004（4）：74?76.
[2] 王烨.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011（3）：35?36.
[3] 王瑞.基于PSpice的IGBT器件模型及功率损耗的仿真研究[D].西安：西安科技大学，2007.
[4] 李现兵，牛忠霞，张峰，等.现代电力电子器件[J].电源世界，2006（8）：54?57.
[5] 邓夷，赵争鸣，袁立强，等.适用于复杂电路分析的IGBT模型[J].中国电机工程学报，2010，30（9）：1?7.
[6] 何进，张兴，黄如.电导调制型功率器件用穿通结构的基区优化理论[J].半导体学报，2000，8（8）：786?791.
[7] 凌宇.IGBT功耗优化的研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.
