专利名称：一种fs型igbt瞬态温度特性的电热仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种电热模型仿真方法，具体涉及一种适用于FS型IGBTansulated GateBipolar Transistor)瞬态温度特性的电热仿真方法。
背景技术：
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种综合了功率场效应晶体管(MOSFET)和双极型功率晶体管(Bipolar Junction Transistor-BJT)结构的复合型器件，它同时具有二者驱动简单、损耗低、可承受高电压和大电流、热稳定性好等优点，已经被广泛用于各种中、大功率电力电子装置中，是目前应用最为广泛的全控型电力电子器件。自从IGBT出现以来，仿真模型就是指导其结构优化与工程应用的重要工具。一般来说，IGBT仿真模型的准确程度包括两个方面，其一是根据IGBT工作机理和半导体物理理论建立的模型方程组，其二是代入模型方程计算的IGBT内部参数，如果代入模型方程的参数值与实际情况偏差较大将导致仿真结果出现较大误差。IGBT内部的参数既包括结构尺寸参数，如芯片面积参数、宽度参数等，也有半导体物理特性参数，如载流子寿命参数、掺杂浓度参数等，同时还包括一些已等效为电路参数形式的IGBT参数，如栅极电容参数、跨导参数、门槛电压参数、发射极电子饱和电流参数等，所有内部参数都需要进行提取。自IGBT出现以来，国外已有大量的文献对其仿真模型进行了研究，但是对其模型参数提取的研究却相对较少，特别是由于国外生产厂商的技术封锁，以及采用常规手段对于已封装好的产品难以实施参数的精确提取，国内的研究者和工程技术人员一般都很难得到这些器件内部的关键参数，从而限制了仿真模型的使用与器件应用水平的提高。此外，由于半导体的材料特性受温度的影响显著，将导致IGBT的内部参数随温度发生较大变化，从而使得IGBT的工作特性也将随温度发生较大改变。IGBT作为电能变换装置中主功率器件，工作时的导通电流和阻断电压都很大，在稳定导通状态和开关瞬态过程中产生的通态损耗和开关损耗比一般微电子器件也要大得多，在短时间内就将产生很大功耗，从而导致器件结温大幅上升并且波动显著，并且这种温度的剧烈变化又会进一步引起 IGBT的工作特性发生较大改变，也就是说IGBT的电气特性与温度间具有很强的耦合关系。 由于这种强耦合关系的存在，单一温度下的模型分析方法也已经不能准确反映温度不断发生变化时的IGBT工作特性，而需要将其扩展为能够反映不同温度下器件工作特性的电热模型，从而实现IGBT工作特性的精确仿真。IGBT内部参数在表1中给出，其中有四个参数与温度相关，在建立电热模型时，这四个参数需要考虑温度影响。模型仿真所有需提取的内部参数类型、与温度关系以及提取方法归纳为表1。表1 FS型IGBT模型参数
权利要求
1.一种FS型IGBT瞬态温度特性的电热仿真方法，包括如下步骤(A)利用半导体物理方法建立FS型IGBT的开关瞬态模型，得到求解FS型IGBT阴极、 阳极、栅极三个端口的电压、电流关系方程组；(B)提取与FS型IGBT瞬态温度特性相关的内部参数表达式，所述与温度相关的内部参数包括载流子寿命τ、门槛电压Vt、跨导Kp和发射极饱和电流I·；其中所述载流子寿命τ通过实际测试实验，提取得到不同温度下的FS型IGBT内部过剩载流子寿命值进行分析，获得载流子寿命与温度的关系表达式τ = f(T)，其中T表示温度； 所述门槛电压Vt、跨导KP、发射极饱和电流I·通过经验值公式获取其与温度的关系表达式 Vt = h(T)，Kp = g(T)，Isne = i (T)，其中 T 表示温度；(C)将步骤(B)中得到的温度相关的FS型IGBT内部参数表达式τ= f (T) ,Vt = h (T)) 和Kp = g(T)，Isne = i(T)代入到步骤(A)获得的模型方程组中进行仿真计算，得到FS型 IGBT瞬态温度特性的电热仿真结果。
2.根据权利要求1所述的FS型IGBT瞬态温度特性的电热仿真方法，其特征在于 所述步骤(A)之后，还包括获取FS型IGBT电流拖尾阶段的电流解析表达式的步骤； 基于所述步骤(A)中得到的方程组，结合FS层与基区交界处的热平衡关系，建立FS型IGBT电流拖尾阶段的电流解析表达式
3.根据权利要求1或2所述的FS型IGBT瞬态温度特性的电热仿真方法，其特征在于 所述步骤(A)中，建立FS型IGB开关瞬态模型时，根据FS层的结构参数，采用大注入假设条件，得到FS层的电流双极输运方程和空穴连续性方程
4.根据权利要求3所述的FS型IGBT瞬态温度特性的电热仿真方法，其特征在于 所述步骤(A)中，建立FS型IGB开关瞬态模型时，根据IGBT基区的结构参数，采用大注入假设条件，得到基区的电流双极输运方程和空穴连续性方程(7)
全文摘要
本发明提供了一种FS型IGBT瞬态温度特性的电热仿真方法。通过对FS型IGBT开关瞬态工作过程的实际测试，结合IGBT工作机理与半导体物理原理进行分析，确定IGBT瞬态温度特性主要受内部过剩载流子寿命影响，从而建立一种电热仿真方法。通过实际测试提取不同温度下的载流子寿命值，得到载流子寿命与温度的关系表达式；通过经验值公式计算，得到门槛电压、跨导、发射极饱和电流与温度的关系表达式；再将温度相关参数的表达式代入FS型IGBT电流拖尾阶段电流解析表达式，及开关瞬态模型方程组进行计算，得到FS型IGBT在不同温度下的瞬态工作波形。本发明中所述的电热模型仿真方法同时具有参数计算简单与准确度高的优点。
文档编号G06F17/50GK102368274SQ201110263259
公开日2012年3月7日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者刘宾礼, 唐勇, 孙驰, 揭桂生, 汪波, 肖飞, 胡安, 陈明 申请人:中国人民解放军海军工程大学