温度对IGBT器件功耗的影响研究

王瑞萱，吴会利

（1.哈尔滨理工大学，哈尔滨150080；2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

温度对IGBT器件功耗的影响研究

王瑞萱1，吴会利2

（1.哈尔滨理工大学，哈尔滨150080；2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

IGBT是一种综合MOSFET和GTR两种器件优点的功率器件，被广泛应用于电力电子领域。在对这种电力电子器件的研究中，其功耗特性和功率特性同样重要。首先介绍IGBT器件基本的结构特点和工作原理，并对IGBT器件的尾流特性及其功耗组成进行分析和概述。同时结合IGBT的热阻模型，确定温度公式与功耗的关系,在保证其他电学参数相同的情况下,通过使用专门软件对实际情况下IGBT器件的功耗进行模拟仿真，分别在外界环境温度为-55℃、25℃、125℃的条件下研究外界环境温度对于IGBT功耗特性的影响，并通过控制IGBT器件外壳基板的热阻来降低IGBT器件的功耗。

IGBT；尾流特性；功耗分析；功耗计算；热阻模型

1 引言

绝缘栅型双极晶体管，又称为IGBT[1]，是一种综合了MOSFET和GTR两种器件优点的功率器件。IGBT具有开关速度快、驱动电路简单、输入阻抗高、耐压性强、电流大等优点[2]。随着电学稳定性的进一步提升和商业化进程的逐步推进，IGBT得到了愈加广泛的关注。

2 IGBT的结构特点及工作原理

IGBT的结构与功率MOSFET器件基本相似。如图1所示，不同之处在于IGBT在漏极上添加了一个P+区以实现IGBT器件的功能。

图1 IGBT的基本结构和等效电路

从结构上来说IGBT可以等效为N沟道MOSFET和PNP晶体管组成的电路，实际上IGBT是一种以双极型晶体管为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合器件。以N沟道IGBT为例，IGBT基本的工作原理是通过在栅极与发射极之间施加正的栅极偏压Vge,在栅电极正下方的P区中形成导电沟道（反型层）[3]。通过形成的电子沟道为PNP型晶体管提供基极电流，驱动PNP型晶体管使IGBT导通。反之，当在栅极施加一个负偏压或Vge低于阈值电压时，不能在P区中形成导电沟道，切断了PNP型晶体管的基极电流，使IGBT截止。

3 IGBT的尾流特性[4]

在IGBT截止过程中，通过MOSFET的电流迅速下降，而集电极电流则会逐渐下降，这种现象称为IGBT的尾流特性。发生的原因是在N区中还留有一定数量的由于正向导通而被注入的空穴少子，在截止过程中，集电极电流会与在N区内残存的空穴进行复合，使IGBT无法迅速关断。尾流降低的速率完全取决于截止时的电荷密度大小，而电荷密度又与掺杂杂质的浓度、掺杂区域的厚度和结温等多种因素相关。由于少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，会导致器件功耗增加，并严重影响器件的关断特性和工作频率。由于尾流特性与空穴少子相关，尾流的电流值与空穴的迁移率有密切的关系，而迁移率又与Vce、Ic和结温Tj等参数相关。因此，可以通过调整Vce、Ic、Tj等参数来控制尾流特性。

4 IGBT的功耗

温度对IGBT功耗的影响很大[5]，尤其是在外太空等低温环境或高温环境下应用时，所以开展温度对IGBT器件功耗的影响机理研究工作有深远的意义。

IGBT器件的功耗主要包括两个方面：

1.在IGBT栅极施加正向偏压时，IGBT导通时存在的饱和电压Vcesat和电流Ic产生的静态功耗，静态功耗可表示为:Pcond=d×Vcesat×Ic(d表示导通占空比),与栅极电压Vge、导通电流Ic和结温Tj有关。

2.在IGBT做开关动作时，导通电流Ic与漏极电压Vge存在重叠期，产生导通功耗Eon和截止功耗Eoff，总动态功耗可表示为:Psw=(Eon+Eoff)×fsw(fsw表示开关频率),与开关动作时的导通电流Ic、电压Vce和结温Tj有关。

5 IGBT功耗随温度变化影响情况

图2 IGBT器件的热阻模型

6 实验论证与仿真

应用IGBT器件功率仿真专用的仿真软件Fuji-IGBT Simulator对工作在不同温度下的IGBT器件进行仿真[8],设置阻断电压Vces为1200V，导通电流Ic为200A，分别在环境温度为-55℃、25℃、125℃的环境温度及低热阻条件下进行仿真,仿真结果如图4及表1所示。

图4 不同环境温度下的IGBT功耗

表1 仿真数据

在相同条件下，由于外界温度升高，根据温度关系公式Tj=△Tjc+Tc+△Tch+Th+△Tha+Ta，IGBT器件的结温呈线性函数形式增长，结温升高使得导通电流Ic呈指数函数形式递增，功率曲线表现为正弦半波,如图4中P1所示，热阻模型的性质表现为热容性，温度上升导致IGBT器件的功耗显著增加。

在室温下仿真IGBT功率的最高值为122.27W，在相同电学条件下，将温度提高100℃，器件功率上升为216.98 W，升高了77%。同时随着结温升高，IGBT器件中的尾流特性会更加明显，也会导致器件功耗升高。

通过加强IGBT器件散热,将基板的热阻调整为0.005℃/W后，如图4中P2所示，在相同电学条件下IGBT的功耗由122.27W降至116.23W，降低了11%。同时随着降低结温，减弱了Tj对导通电流Ic的影响，也减弱了尾流特性产生的影响，从而实现IGBT功耗的降低。

7 结束语

通过借助仿真软件重点开展了温度、热阻等对IGBT器件功耗影响机理研究工作，随着外界温度的改变，结温线性升高使得导通电流Ic呈指数函数形式递增，导致IGBT的功耗显著增加。通过降低工作温度、减少热阻、提高器件散热能力，可以有效降低IGBT的功耗及对尾流特性的影响，提高器件可靠性。仿真结果对IGBT器件的可靠性以及器件性能的提高都有很好的参考价值。

另外通过采用增加P-缓冲层、P+体区扩展、JFET区注入调整等方式降低其饱和压降，也可以有效的降低其器件功耗。

[1]B.J.BALIGA.Fundamentalsof Power Semiconductor Devices[M].New York:Springer Science，2008:1-2.

[2]V.K.KHANNA.Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT):Theoryand Design [M].IEEE Press,Wiley-Interscience，2003.

[3]施敏.半导体器件物理[M].电子工业出版社,1987.Shi Min.Physics of Semiconductor Devices[M].Beijing:PHEI,1987.

[4]B.J.BALIGA.Fast-switching insulated gate transistors[J].IEEE Electron Device Letters，1983，4(12):452-454.

[5]王烨，常春茂，等.关于IGBT模块损耗的研究[J].仪器仪表与分析监测，2011(3):35-36.Wang Ye，Chang Chunmao.Study of theloss in IGBT models[J].Instrumentation·Analysis·Momtoring.2011(3):35-36.

[6]Infineon.Infineon data sheet understanding[S].IFCNAIM,2007.09.

[7]F.F.OETTINGER,D.L.BLACEBURN.Semiconductor Measurement Technology:Thermal Resistance Measure[M].1990.

[8]FujiIGBTSimulatorVer6.1.0 introduction[S].FEDT Co.,Ltd.,2014.08.

Researchon the Influence of Temperature to Power Dissipation of IGBT Device

Wang Ruixuan1,Wu Huili2
（1.Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China；2.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

IGBT is a power device with the virtue of MOSFET and GTR,which is widely used as a common device in Power Electronic Circuit.In research of IGBT device,the feature of dissipation is as important as power.First of all,this paper introduces the basic structure of IGBT device and how the IGBT device works.Then this paper analyzes and generalizes the tail current characteristic and the composition of IGBT dissipation.Combined with thermal resistance model of IGBT,the relation between temperature formula and power dissipation is determined,and under the situation when other electrical parameters are all the same,by using the specialized software,the simulation of the dissipation of IGBT device is made under the condition in which the environment temperature are-55℃,25℃ and 125℃ to study how temperature influences the dissipation of IGBT device and reduce IGBT dissipation by controlling the thermo resistor of the shell baseboard of IGBT device.

IGBT;Tail current characteristic;Dissipation analysis;Dissipation calculation;Model of thermo resister

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.05.006

TN4 文献标示码：A

1002-2279-（2017）05-0020-03

王瑞萱（1996—），男，辽宁省沈阳市人，本科生，主研方向：微电子科学与工程。

如图2所示的IGBT器件热阻[6-7]模型，当功耗以正弦半波的形式存在时，热阻模型的性质表现为热容性，热阻模型具体参数如表1所示。IGBT器件的结温关系表示为:Tj=△Tjc+Tc+△Tch+Th+△Tha+Ta，热阻的大小与器件制造工艺相关，若芯片尺寸越大，热阻Rthjc的值越小；IGBT模块的尺寸越大，Rthch的值越小；散热器规模越大，Rthha的值越小。