一种IGCT电路模型、硬驱动电路模型及建模方法

一种igct电路模型、硬驱动电路模型及建模方法
技术领域
1.本发明属于集成电路领域，具体而言，涉及一种igct电路模型、硬驱动电路模型及建模方法。


背景技术：

2.现有igct的原理性电学模型，采用两个hu-ki模型并联，其是以晶闸管的四层pnpn结构特点，将晶闸管看作是pnp晶体管和npn晶体管的耦合，可以较好的反映其导通特性。
3.由于该模型的设计思路延续了gto模型的设计方法，所以在igct开通阶段和导通阶段达到了预期的效果。但是在igct关断过程中，该模型的关断换流时间为2
µ
s，无法满足igct关断换流时间要求在1
µ
s内的要求，与硬驱动关断条件不相符。该电学模型的不足导致igct在应用中产生误差，在电路仿真中无法替代gct器件。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种igct电路模型、硬驱动电路模型及建模方法。
6.根据本发明的一个方面，提供一种igct电路模型，包括至少两个并联设置的gct单元，所述gct单元包括：第一晶体管，第一端连接所述gct单元的第一极，第二端连接所述gct单元的第二极，控制端连接所述gct单元的第一极；第二晶体管，第一端连接所述gct单元的第二极，第二端连接所述第一晶体管的控制端，控制端连接所述第一晶体管的第二端；开关管，第一端连接于所述第一晶体管的控制端与所述第二晶体管的第二端之间，第二端连接于所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的控制端之间，控制端连接所述gct单元的门极；第一等效电阻，串接于所述第二晶体管的控制端和所述gct单元的第二极之间；第二等效电阻，串接于所述第一晶体管的控制端与所述gct单元的第一极之间；第三等效电阻，一端连接于所述第一晶体管的第二端和所述第二晶体管的控制端之间，另一端连接于所述第一晶体管的控制端与所述第二晶体管的第二端之间；等效电容，并联于所述第三等效电阻的两端；其中，所述第一晶体管的导通电平与所述第二晶体管的导通电平极性相反。
7.在本发明的一种示例性实施例中，所述igct电路模型包括两个所述gct单元，且两个所述gct单元的门极对应连接、第一极对应连接、第二极对应连接。
8.在本发明的一种示例性实施例中，所述开关管为n型mos管，且所述n型mos管的开启时间小于0.1μs。
9.在本发明的一种示例性实施例中，所述等效电容为所述gct单元的中心阻断结的势垒电容。
10.在本发明的一种示例性实施例中，所述第一等效电阻为所述gct单元的门极区等效电阻；所述第二电阻为所述gct单元的透明阳极区等效电阻；所述第三等效电阻为所述
gct单元的断态特性等效电阻。
11.根据本发明的第二方面，还提供一种igct硬驱动电路模型，包括多个并联设置的硬驱动电路单元，所述硬驱动电路单元包括：本发明任意实施例所述的gct单元，且所述gct单元的第一极连接所述硬驱动电路单元的阳极；门极接触电阻，一端连接所述gct单元中开关管的第二端，另一端连接所述gct单元中第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的控制端的公共连接端；分布电感，一端连接所述gct单元的第二极，另一端连接所述硬驱动电路单元的阴极；阴极接触电阻，串接于所述gct单元的第二极和所述分布电感之间；延时电容，第一端连接所述gct单元中开关管的第二端，第二端连接所述硬驱动电路单元的阴极；延时电阻，第一端连接所述gct单元的门极，第二端连接所述硬驱动电路单元的门极，且所述延时电阻的第一端还连接所述延时电容的第一端。
12.在本发明的一种示例性实施例中，所述igct硬驱动电路模型包括两个所述硬驱动电路单元，且两个所述硬驱动电路单元的门极对应连接、阳极对应连接、阴极对应连接。
13.根据本发明的第三方面，还提供一种igct电路模型建模方法，包括：根据gto电路模型建立单个gct单元的晶体管-电阻等效电路；引入一表征所述gct单元的中心阻断结的势垒电容的等效电容，以基于所述晶体管-电阻等效电路建立晶体管-电阻-电容等效电路；引入一表征igct的关断特征的开关管，以基于所述晶体管-电阻-电容等效电路建立单个gct单元的等效电路模型，其中，所述开关管连接于所述gct单元的门极和阴极之间；将两个所述gct单元进行并联，得到igct电路模型。
14.在本发明的一种示例性实施例中，所述根据gto电路模型建立单个gct单元的晶体管-电阻等效电路，包括：根据gto电路模型使用第一晶体管和第二晶体管表征gct单元中的晶体管等效电路，其中，所述第一晶体管的第一端作为gct单元的第一极，第二端连接所述第二晶体管的控制端，控制端连接所述第二晶体管的第二端，所述第二晶体管的第一端作为所述gct单元的第二端；使用第一等效电阻表征所述gct单元的门极区等效电阻，第二等效电阻表征所述gct单元的透明阳极区等效电阻，第三等效电阻表征所述gct单元的断态特性等效电阻，且所述第一等效电阻串接于所述第二晶体管的第一端和控制端之间，所述第二等效电阻串接于所述第一晶体管的第一端和控制端之间，所述第三等效电阻的一端连接于所述第一晶体管的第二端与第一等效电阻之间，另一端连接于所述第一晶体管的控制端和所述第二晶体管的第二端之间，得到晶体管-电阻等效电路。
15.在本发明的一种示例性实施例中，所述引入一表征所述gct单元的中心阻断结的势垒电容的等效电容，以基于所述晶体管-电阻等效电路建立晶体管-电阻-电容等效电路，包括：引入一等效电容表征所述gct单元的中心阻断结的势垒电容，且所述等效电容并联于所述第三等效电阻的两端，得到晶体管-电阻-电容等效电路。
16.在本发明的一种示例性实施例中，所述方法还包括：基于待仿真的igct的目标关断换流时长确定所述开关管的关键参数，所述关键参数至少包括沟道长度、沟道宽度、跨导系数、阈值电压、栅源覆盖电容、栅漏覆盖电容、饱和电流；基于第一预设条件确定所述第一晶体管的第一电流放大系数和所述第二晶体管的第二电流放大系数；基于待仿真的igct的门极静态特性、阳极静态特性以及断态特性确定所述第一等效电阻、第二等效电阻、第三等效电阻的电阻值；基于待仿真的igct的中心阻断结的势垒电容确定所述等效电容的电容值。
17.本发明提供的igct电路模型，通过引入开关管，开关管的开启速度为纳秒级，开关管连接于gct单元的门极和阴极之间，该开关管可用于表征igct的关断特性，当igct开通时，开关管无作用，gct单元呈现2t-3r-c模型的特点；当igct关断时，开关管快速开通(ns级)，迅速将igct的电流转换门极，使j3结开路，第二晶体管截止，gct单元可以按第一晶体管的方式快速关断。可见，本发明通过在gct单元的门极和阴极之间引入开关管，建立的igct电路模型能够正确表征igct关断时1
µ
s内的换流特性。
18.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
19.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为根据本发明一种实施方式的igct电路模型结构示意图；图2为根据本发明一种实施方式的gct的双极性晶体管的等效模型；图3为根据本发明一种实施方式的igct硬驱动电路模型的结构示意图；图4为根据本发明一种实施方式的igct电路模型建模方法流程图；图5为根据本发明一种实施方式的2t等效电路模型；图6为根据本发明一种实施方式的2t-3r等效电路模型；图7为根据本发明一种实施方式的2t-3r-c等效电路模型；图8为根据本发明一种实施方式的m-2t-3r-c等效电路模型；图9为根据本发明一种实施方式的igct动态特性仿真测试电路图；图10a为根据本发明一种实施方式的igct开通过程的仿真波形；图10b为根据本发明一种实施方式的igct关断过程的仿真波形。
具体实施方式
21.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。
22.虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
23.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组
成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
24.图1为根据本发明一种实施方式的igct电路模型结构示意图，如图1所示，本示例性实施例中，igct电路模型可包括至少两个并联设置的gct单元10，gct单元10可包括：第一晶体管q1、第二晶体管q2、开关管m、第一等效电阻r1、第二等效电阻r2、第三等效电阻r3以及等效电容c，其中，第一晶体管q1的第一端连接gct单元10的第一极，第二端连接gct单元10的第二极，控制端连接gct单元10的第一极；第二晶体管q2的第一端连接gct单元10的第二极，第二端连接第一晶体管q1的控制端，控制端连接第一晶体管q1的第二端；开关管m的第一端连接于第一晶体管q1的控制端与第二晶体管q2的第二端之间，第二端连接于第一晶体管q1的第二端和第二晶体管q2的控制端之间，控制端连接gct单元10的门极；第一等效电阻r1串接于第二晶体管q2的控制端和gct单元10的第二极之间；第二等效电阻r2串接于第一晶体管q1的控制端与gct单元10的第一极之间；第三等效电阻r3的一端连接于第一晶体管q1的第二端和第二晶体管q2的控制端之间，另一端连接于第一晶体管q1的控制端与第二晶体管q2的第二端之间；等效电容c并联于第三等效电阻r3的两端；其中，第一晶体管q1的导通电平与第二晶体管q2的导通电平极性相反。
25.本发明提供的igct电路模型，通过引入开关管m，开关管m连接于gct单元10的门极和阴极之间，该开关管m可用于表征igct的关断特性，当igct开通时，开关管m无作用，gct单元10呈现2t-3r-c模型的特点；当igct关断时，开关管m快速开通(ns级)，迅速将igct的电流转换门极，使j3结开路，第二晶体管q2截止，gct单元10可以按第一晶体管q1的方式快速关断。可见，本发明通过在gct单元10的门极和阴极之间引入开关管m，建立的igct电路模型能够正确表征igct关断时1
µ
s内的换流特性。
26.如图1所示，本示例性实施例中，gct单元10的第一极可以为gct单元10的阳极，第二极可以为gct单元10的阴极。igct电路模型具体可包括两个并联设置的gct单元10，即两个gct单元10的门极对应连接、第一极对应连接、第二极对应连接，以使得两个gct单元10并联。本示例性实施例中，使用两个gct单元10并联来表征igct电路模型，在简化igct电路模型结构的同时，还不影响igct电路模型的可靠性，即使用两个并联的gct单元形成的igct电路模型可以准确反映igct的电学特性。当然，在其他示例性实施例中，igct电路模型也可以包括多个并联的gct单元10，如包括三个并联的gct单元10等，这些都属于本发明的保护范围。
27.如图1所示，本示例性实施例中，第一晶体管q1的导通电平与第二晶体管q2的导通电平极性相反是指一个为pnp型晶体管，另一个为npn型晶体管，具体而言，第一晶体管q1可以为pnp型晶体管，第二晶体管q2可以为npn型晶体管。图2为根据本发明一种实施方式的gct的双极性晶体管的等效模型，如图2所示，gct单元内部由阳极到阴极依次形成j1、j2、j3三个pn结，两个晶体管q1、q2分别为p1n1p2和n1p2n2，第一晶体管q1的集电区p2正好是第二晶体管q2的基区，同时，第二晶体管q2的集电区n1正好是第一晶体管q1的基区。应该理解的是，本示例性实施例中所述的晶体管的第一端可以为该晶体管的发射极，第二端可以为该晶体管的集电极，控制端可以为给晶体管的基极。
28.如图1所示，本示例性实施例中，开关管m可以为一n型mos管，开关管m的第一端可
以为漏极，第二端可以为源极。当然，在其他示例性实施例中，开关管m的第一端也可以为源极，第二端也可以为漏极。本示例性实施例中，可根据待仿真的igct的目标关断换流时长来具体确定mos管的相关参数，以使得mos管能够准确反映igct关断时在1μs内换流这一特性，使得igct能够实现硬驱动。本示例性实施例中，n型mos管的开通时间可以为纳秒级，即远小于igct的最大允许换流时长1μs，例如可以小于0.1μs等，有关mos管的具体参数及其确定方法可参见后续方法实施例的介绍，此处不再展开。
29.如图1所示，本示例性实施例中，第一等效电阻r1为gct单元10的门极区等效电阻，第二电阻为gct单元10的透明阳极区等效电阻，第三等效电阻r3为gct单元10的断态特性等效电阻。第二等效电阻r2与gct透明阳极的掺杂浓度、厚度有关，第三等效电阻r3为扩展电阻，用于表征gct的断态特征，第三等效电阻r3的电阻值由阻断电压和漏电流决定，有关第一等效电阻r1、第二等效电阻r2和第三等效电阻r3的阻值确定方法可参见后续方法实施例的介绍，此处不再展开。
30.如图1所示，本示例性实施例中，gct单元10还可以包括等效电容c，该等效电容c为gct单元10的中心阻断结的势垒电容。本示例性实施例中，通过在等效电路中增加等效电容c，可使得所建立的igct电路模型能够准确表征中心阻断结构的阻断电容随gct阳极端电压的改变而改变，进而影响igct关断过程中的拖尾电流这一特性，从而igct电路模型具有更佳的电学特征。有关等效电容c的具体确定方法可参见后续方法实施例的介绍，此处不再展开。
31.本发明还提供一种igct硬驱动电路模型，图3为根据本发明一种实施方式的igct硬驱动电路模型的结构示意图，如图3所示，该igct硬驱动电路模型可包括两个并联设置的硬驱动电路单元20，每一硬驱动电路单元20可包括：本发明任意实施例所述的gct单元10、门极接触电阻r
gc
、阴极接触电阻r
kc
、分布电感lm、延时电阻rd和延时电容cd，其中，门极接触电阻r
gc
的一端连接gct单元10中开关管m的第二端，另一端连接gct单元10中第一晶体管q1的第二端与第二晶体管q2的控制端的公共连接端；分布电感lm的一端连接gct单元10的第二极，另一端连接硬驱动电路单元的阴极；阴极接触电阻r
kc
串接于gct单元10的第二极和分布电感lm之间；延时电容cd的第一端连接gct单元10中开关管m的第二端，第二端连接硬驱动电路单元20的阴极；延时电阻rd的第一端连接gct单元10的门极，第二端连接硬驱动电路单元20的门极，且延时电阻rd的第一端还连接延时电容cd的第一端。本示例性实施例中，两个硬驱动电路单元20并联是指两个硬驱动电路单元20的门极对应连接、阳极对应连接且阴极对应连接。此外，应该理解的是，在其他示例性实施例中，igct硬驱动电路模型也可以包括多个并联设置的硬驱动电路单元20，例如可以包括三个并联的并联设置的硬驱动电路单元20等，这些都属于本发明的保护范围。本示例性实施例中，门极接触电阻r
gc
、阴极接触电阻r
kc
、分布电感lm、延时电阻rd和延时电容cd属于gct的分布参数，通过在igct的硬驱动电路模型中加入gct的分布参数，所建立的igct硬驱动电路模型可以准确反映gct的动态特性。在本发明的一具体实施方式中，分布参数的取值如表1-1所示。
32.表1-1参数名称参数说明取值单位rd延迟电阻1μωlm自感与互感0.01μηrgc
门极接触电阻1mωr
kc
阴极接触电阻1μω本发明还提供一种igct电路模型建模方法，图4为根据本发明一种实施方式的igct电路模型建模方法流程图，如图4所示，该建模方法可包括如下步骤：s110、根据gto电路模型建立单个gct单元的晶体管-电阻等效电路；s120、引入一表征所述gct单元的中心阻断结的势垒电容的等效电容，以基于所述晶体管-电阻等效电路建立晶体管-电阻-电容等效电路；s130、引入一表征igct的关断特征的开关管，以基于所述晶体管-电阻-电容等效电路建立单个gct单元的等效电路模型，其中，所述开关管连接于gct单元的门极和阴极之间；s140、将两个所述gct单元进行并联，得到igct电路模型。
33.其中，步骤s110是要建立2t-3r电路模型，具体而言，gct源于gto，在阻断机理和通态原理两者完全相同，都相当于pnpn晶闸管，但是关断原理则完全不同。gct关断时是采取门极硬驱动技术，阳极电流要在很短的时间内（1
µ
s）从阴极换流到门极，全部从门极流出，其关断增益是1，因此可将gct看作是关断增益为1的gto，由此可参考gto电路模型建立gct单元10中晶体管-电阻等效电路，具体为2t-3r等效电路。
34.在本发明的示例性实施例中，步骤s110可具体包括如下步骤：s111、根据gto电路模型使用第一晶体管q1和第二晶体管q2表征gct单元10中的晶体管等效电路，其中，第一晶体管q1的第一端作为gct单元10的第一极，第二端连接第二晶体管q2的控制端，控制端连接第二晶体管q2的第二端，第二晶体管q2的第一端作为gct单元10的第二端；s112、使用第一等效电阻r1表征gct单元10的门极区等效电阻，第二等效电阻r2表征gct单元10的透明阳极区等效电阻，第三等效电阻r3表征gct单元10的断态特性等效电阻，且第一等效电阻r1串接于第二晶体管q2的第一端和控制端之间，第二等效电阻r2串接于第一晶体管q1的第一端和控制端之间，第三等效电阻r3的一端连接于第一晶体管q1的第二端与第一等效电阻r1之间，另一端连接于第一晶体管q1的控制端和第二晶体管q2的第二端之间，得到晶体管-电阻等效电路。
35.其中，在步骤s111中，是要建立第一晶体管q1和第二晶体管q2的连接关系，以建立gct中的晶闸管电路等效电路模型，所建立的晶闸管电路等效电路模型如图5所示。
36.步骤s112是要在步骤s111的基础上，建立包括等效电阻的电路模型，即如图6所示的2t-3r电路模型。
37.步骤s120是要在gct等效电路模型中进一步引入等效电容c，建立如图7所示的2t-3r-c电路模型，该等效电容c用于表征gct单元10的中心阻断结的势垒电容，且等效电容c并联于第三等效电阻r3的两端，得到晶体管-电阻-电容等效电路。该中心阻断结构的阻断电容随gct阳极端电压的改变而改变，其主要影响igct关断过程中的拖尾电流，因此，通过在等效电路中增加等效电容c，可使得所建立的igct电路模型能够更加准确地表征igct的电学特征。
38.步骤s130是要在步骤s120的基础上，引入开关管m而建立m-2t-3r-c电路模型。通过引入开关管m来表征igct关断时1
µ
s内的换流特性，实现igct硬驱动条件下的关断。所建
立的开关管m可以为n型mos管，该n型mos管的第一端连接于第一晶体管q1的控制端与第二晶体管q2的第二端之间，第二端连接于第一晶体管q1的第二端和第二晶体管q2的控制端之间，控制端作为gct单元10的门极，所得到的gct单元10如图8所示。本示例性实施例中，mos管的开通时间远小于igct的最大允许换流时长1μs，具体可以为纳秒级，例如可以mos管的开通时间可以小于0.1μs。当igct关断时，mos管快速开通，迅速将igct的电流转换门极，使j3结开路，npn晶体管截止，从而gct可以按pnp的方式快速关断。而当igct开通时，mos管无作用，gct单元的等效电路模型呈现2t-3r-c模型的特点。
39.在步骤s140中，通过将两个gct单元10进行并联以得到igct电路模型。本示例性实施例中，通过采用pspice软件分别对不同数量的m-2t-3r-c单元模型并联电路进行仿真，结果表明，当并联的gct单元数量超过两个后，所得到的igct电路模型的特性变化并不明显，因此，本示例性实施例以两个gct单元并联得到igct电路模型，不仅可以准确反映igct的电学特性，而且可以简化igct电路模型结构。
40.本发明提供的igct电路模型建模方法，利用现有的gto电路模型建立2t-3r等效电路模型，进一步引入表征gct单元的中心阻断结的势垒电容，建立2t-3r-c等效电路模型，并进一步引入表征igct关断时1
µ
s内的换流特性的开关管，得到m-2t-3r-c等效电路模型，可以很好地反映igct的断态换流特性。
41.此外，在上述实施例的基础上，本发明建模方法还包括如下步骤：s150、基于待仿真的igct的目标关断换流时长确定开关管m的关键参数，关键参数至少包括沟道长度、沟道宽度、跨导系数、阈值电压、栅源覆盖电容、栅漏覆盖电容、饱和电流；s160、基于第一预设条件确定第一晶体管q1的第一电流放大系数和第二晶体管q2的第二电流放大系数；s170、基于待仿真的igct的门极静态特性、阳极静态特性以及断态特性确定第一等效电阻r1、第二等效电阻r2、第三等效电阻r3的电阻值；s180、基于待仿真的igct的中心阻断结的势垒电容确定等效电容c的电容值。
42.其中，在步骤s150中，是要确定所建立的igct电路模型中开关管m的关键参数，以在igct关断时，开关管m能够迅速开启，使得igct的阳极电流能够在1
µ
s内从阴极换流至门极，全部从门极流出，实现igct的门极硬驱动。本示例性实施例中，开关管m为一n型mos管，该n型mos管具有ns级的开通速度，即该n型mos管能够在igct关断时以ns级快速开通，迅速将igct的阳极电流从阴极转换至门极流出，使j3结开路，第二晶体管q2截止，从而gct可以按第一晶体管q1的方式快速关断。
43.本示例性实施例中，开关管m的关键参数可包括开关管的沟道长度、沟道宽度、跨导系数、阈值电压、栅源覆盖电容、栅漏覆盖电容和饱和电流。下面对开关管m的各关键参数的确定方法作进一步介绍。
44.阈值电压v
t
是mos结构p体区表面形成强反型所需的最小栅极电压，类似于双极性器件的开启电压。可以表示为：（2-2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-3）
ꢀꢀꢀꢀ
（2-4）式中：σ为静态反馈系数；q为模型的经验常数，单位为f
·
m ，取值8.15
×
10-22
；l为mos静态管沟道的长度，单位为
µ
m；eta为模拟静电反馈效应参数，取值2.2
×
10-2
；c
ox
为栅电容，单位为f；φb为表面电势，单位为v；v(x)为沟道中任意一点到源处的电压，单位为v；fn为窄沟道修正系数。
45.要实现mos管快速开关，就需要栅极驱动电路负载能力足够大，在要求的时间内完成对等效栅极电容的充放电。一般栅极与源区和漏区总有一个覆盖区，产生一定的覆盖电容，栅源和栅漏的覆盖电容分别为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-5）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-6）式中：xs为栅源覆盖长度，单位为
µ
m；xd为栅漏覆盖长度，单位为
µ
m。
46.mos管的漏极电流表达式为：（2-7）在沟道中任意一点到源处沿沟道方向的电场强度dv/dx，沟道宽度为w，
µs为载流子迁移率。对（2-7）式x从0到l做积分，再按泰勒级数的一阶展开可得沟道饱和电流的表达式：
ꢀꢀꢀꢀ
（2-8）选取建模中所用到的工艺参数，沟道长度l为2
µ
m，沟道宽度w为50
µ
m，载流子迁移率
µs为386.44cm2/v
·
s，v
t
为0.786v，c
ox
为5.078
×
10-3
f/m3，xs为0.79
µ
m，xd为0.21
µ
m。根据上述推到公式，可以计算出mos管的参数如表1-2所示。
47.表1-2 mos管模型关键参数取值
步骤s160中，第一预设条件是指在建立gct物理模型时，构成gct的两个晶体管的电流放大系数所需要满足的条件。具体而言，gct关断是从晶闸管模式过渡为晶体管模式，由于gct的硬驱动技术，开关过程给门极施加上升率和幅值都很高的强脉冲触发，gct导通时其阴极的第二晶体管q2（npn晶体管）的工作状态是介于浅饱和状态与深饱和状态之间。第一晶体管q1（pnp晶体管）的第一电流放大系数为α1，第二晶体管q2（npn）的第二电流放大系数为α2，α1、α2取值需满足以下三个条件：
①
1.05≤α1+α2≤1.15；
②
α2＞α1；
③
0.8≤α2＜1，0.15＜α1≤0.25。
48.第一电流放大系数α1、第二电流放大系数α2可根据如下公式进行确定：
ꢀꢀ
（2-9）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-10）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-11）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-12）式中：w
p.eff
为第一晶体管q1的有效基区宽度，w
n.eff
为第二晶体管q2的有效基区宽度，单位为
µ
m；τ
p
为缓冲层中的空穴寿命，τ
n 为p基区的电子寿命，单位为
µ
s；d
p
为空穴在场阻止层的扩散系数，dn为电子在场阻止层的扩散系数，单位为cm2/s；τ
po
为n-基区的空穴寿命，τ
no 为n-基区的电子寿命，单位为
µ
s；n
pbase
为p基区浓度，n
ref
为参考浓度，nb为缓冲层浓
度。
49.在本公开的一具体实施方式中，w
p.eff
取30
µ
m，τ
po
取3
µ
s，n
ref
取5e16cm-3
，nb取1e17cm-3
，d
p
取18cm2/s。w
n.eff
取60
µ
m，τ
no
取10
µ
s，dn取36cm2/s，n
pbase
取1e16cm-3
。λ是浓度系数，λ=δ2/(δ-1+e-δ
)，其中δ=lnn
sic
/n
[xm(p2)]
，n
sic
等于5e16 cm-3
，n
[xm(p2)]
为空间电荷区在短基区展宽处的表面浓度，等于8.3e14cm-3
，计算得出λ≈5。根据式（2-9）~（2-12）可以确定第一晶体管q1的第一电流放大系数α1≈0.25，第二晶体管q2的第二电流放大系数α2≈0.88。
[0050]
步骤s170中，第一等效电阻r1用于反映gct单元10的门极静态特性，第二等效电阻r2用于反映gct单元10的透明阳极区的静态特性，第三等效电阻r3用于反映gct单元10的断态特性，换言之，第一等效电阻r1的阻值需匹配于gct单元10的门极区等效电阻阻值，第二等效电阻r2的阻值需匹配于gct单元10的透明阳极区等效电阻阻值，第三等效电阻r3的阻值需匹配于gct单元10的断态等效电阻阻值。
[0051]
示例性的，以4500v/2500a的igct为例，r1为门极区等效电阻，可根据公式(2-13)计算：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-13)取门极触发电压v
gt
=1.4v，门极触发电流i
gt
=0.7a，计算出r1=2ω。
[0052]
r2为透明阳极区等效电阻，与gct透明阳极的掺杂浓度、厚度等有关，可按公式（2-14）计算，计算出r2=0.012ω。
[0053]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-14)式中：q为电子电荷量，取值1.6
×
10-19
c；na为平均浓度，取值1
×
10
18
cm-3
；
µ
p
为空穴迁移率，取值160 cm2/（v
·
s）；w
t
为透明阳极厚度，取值4
µ
m；s为单元阳极面积，取值2.1mm2；计算出r2=0.012ω。
[0054]
r3为扩展电阻，表征gct的断态特性，由阻断电压和漏电流决定，通过公式（2-15）来计算，其中v
drm
=4500v，i
drm
=50ma，计算出r3=90kω。
[0055]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2-15）步骤s180中，如图2所示，根据gct的双晶体管等效模型，gct内部由阳极到阴极依次形成j1、j2、j3三个pn结，其中的第二pn结j2即为中心阻断结。中心阻断结的势垒电容c随gct阳极端电压的改变而改变，其主要影响关断过程中的拖尾电流。本步骤中，等效电容c的电容值与待仿真的igct中的中心阻断结的势垒电容的电容值相一致，以正确表征igct在关断过程中阳极电流迅速下降，几乎不产生拖尾电流的电学特性。
[0056]
本发明提供的igct电路模型能够正确反映igct的静态和断态工作特性。下面结合一具体示例进行说明。
[0057]
图9为根据本发明一种实施方式的igct动态特性仿真测试电路图，如图9所示，该仿真测试电路由igct硬驱动电路仿真模型30和外围电路组成，外围电路可参考现有技术，本公开并不限定。igct硬驱动电路仿真模型30包括门极接触电阻r
gc
、阴极接触电阻r
kc
、延时电阻rd、延时电容cd和分布电感lm（lm表示阴极互感与自感），一个igct硬驱动电路包括两个并联的m-2t-3r-c模型，外部三个端子分别是igct的阳极a、门极g和阴极k。以4500v/
2500a igct为例，其测试条件为：v
drm
=4500v，i
tgqm
=2500a，v
t0
=1.4v，v
dc
=2800v，l
cl
=0.3μh，li=5μf，l
load
=200μf，c
cl
=10μf，rs=1.5ω，l
gon
=0.2
µ
h，r
gon
=5mω，l
goff
=4nh，r
goff
=5mω。
[0058]
仿真时，在t=50
µ
s时门-阴极间加上20v的触发信号，之后电压减小并稳定在+1.1v，以维持igct的持续导通；在t=232
µ
s时刻，在igct门-阴极间，加-20v的关断信号。
[0059]
a.开通波形在50
µ
s时发出开通命令，利用图9所示测试电路得到的igct开通过程中阳极电压v
ak
、阳极电流ia和门极电流ig的波形如图10a所示，图中，横坐标为时间，纵坐标为电压和电流参数，k1表示阳极电压v
ak
的变化曲线，k2表示阳极电流的变化曲线，k3表示门极电流的变化曲线，如图10a所示，在51
µ
s时刻，阳极电压v
ak
从0.9v
dc
下降至0.1v
dc
，阳极电流的上升时间在1
µ
s内，符合指标参数tr≤1
µ
s。阳极电流ia最终上升至2500a，最大通态阳极电流上升率di
t
/dt为430a/
µ
s《650a/
µ
s。开通时门极电流ig幅值为1400a，门极电流ig上升率达到550a/
µ
s，远大于gto的门极电流上升率，满足“硬驱动”的开通条件。
[0060]
b.关断波形及其内部换流过程利用图9所示测试电路得到的igct关断过程中的阳极电压v
ak
和阳极电流波形ia如图10b所示，图中，横坐标为时间，纵坐标为电压和电流参数，l1表示阳极电流的变化曲线，l2表示阳极电压的变化曲线，l3表示门极电流的变化曲线，l4表示阴极电流的变化曲线，其中，阳极最大可关断电流ia为2500a，阳极关断电压峰值v
dm
为3700v，阳极电压第二峰值v
dsp
为3500v。为了更好的体现igct关断过程中内部换流的动态过程，图中还给出了阴极电流ik和门极电流ig波形曲线。在232
µ
s时刻门极施加关断信号，阴极电流ik在232.5
µ
s时刻过零，在232.7
µ
s时刻达到负峰值，故换流时间约为0.7
µ
s（《1
µ
s）。阳极电压v
ak
在233
µ
s时刻开始上升；到238
µ
s时刻，阳极电流ia和门极电流ig基本降为0，igct关断过程结束，关断时间为6
µ
s。从232
µ
s时刻关断开始到234.7
µ
s时刻阳极电流下降0.4i
tgqm
(1000a)，故关断延迟时间为2.7
µ
s。阴极电流ik达到负峰值时刻（232.7
µ
s）与阳极电压开始上升v
ak
时刻（233
µ
s）的时间间隔δt=0.3
µ
s》0，故igct可实现内部换流，符合igct硬驱动判据，可见，本发明提供的m-2t-3r-c结构的igct驱动电路模型能够表征igct的关断过程中的内部换流特性。
[0061]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本技术旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性远离并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。