NPT型IGBT电气模型及参数提取

摘要

随着国民经济各领域与国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能与新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）同时具有功率MOSFET驱动简单以及功率BJT高电流密度的优点，表现出了良好的综合性能，已成为我国当前工业领域中应用最广泛的全控型电力电子器件。 IGBT电气模型作为器件研制和应用过程中的重要辅助工具，一直是研究的一项热点内容。精确的模型可以准确地预估IGBT稳态和暂态电气行为，从而为工程人员开发产品节约大量的时间和成本，因此对IGBT模型的研究是有重要的实际意义的。 本文主要以NPT型IGBT为研究对象，详细分析了NPT型IGBT的工作机理，并根据半导体物理学知识，对Hefner提出的NPT型IGBT稳态和暂态模型进行了详细且严密的理论推导工作，并根据IGBT关断暂态的物理机理，对其暂态模型做了一些修正。 Hefner提出的模型参数提取方法繁琐，作为模型使用者的电气工程师而言使用非常不方便。本文对Hefner提出的大注入过剩载流子寿命的提取做了简化处理，并采用经验公式和器件产家提供的datasheet来提取模型中的大部分参数。此方法明显比Hefner模型参数提取方法更加方便可行。 最后，通过实验验证了IGBT理论模型可以较好地预测IGBT稳态和关断暂态特性。

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致谢

第一章绪论

1.1前言

1.2 NPT型IGBT的结构特征和工作机理

1.2.1 NPT型IGBT的结构特征

1.2.2 NPT型IGBT的工作机理

1.3 IGBT建模的关键点及模型的分类

1.3.1 IGBT建模的关键点

1.3.2 IGBT模型的分类

1.4本文的研究内容及意义

1.4.1本文研究的意义

1.4.2本文的研究内容

第二章 NPT型IGBT模型的理论推导

2.1双极输运理论

2.2 NPT型IGBT稳态模型

2.2.1准中性基区电子和空穴电流表达式

2.2.2发射极-基极电势差(Veb)表达式

2.2.3稳态1-V特性关系

2.3NPT型IGBT关断暂态模型

2.3.1关断暂态时准中性基区过剩载流子总电荷量变化率dQ/dt

2.3.2关断暂态时IGBT阳极-阴极电压变化率dVAC/dt

2.4本章小结

第三章模型参数的提取

3.1芯片有效面积A的提取

3.2大注入过剩载流子寿命THL的提取

3.2.1理论分析

3.2.2实验提取

3.3参数NB、WB和Isne的提取

3.3.1参数NB的提取

3.3.2参数WB的提取

3.3.3参数Isne的提取

3.4参数Kp和VT的提取

3.5本章小结

第四章模型的验证

4.1稳态模型的验证

4.2关断暂态模型的验证

4.3本章小结

第五章总结与展望

参考文献

作者简历