skV非对称GCT的高温特性分析与优化设计

摘要

门极换流晶闸管（GCT）是在门极可关断晶闸管（GTO）的基础上发展而来的一种新型大功率半导体器件，有广阔的应用前景，但目前在国内尚未商品化。由于IGCT器件通常工作在高压和大电流下，产生的高功耗使其结温升高，导致器件的特性退化，无法稳定、可靠地运行。所以，研究IGCT器件的高温特性非常重要。
　　本文在分析GCT的结构、原理和常温特性的基础上，针对功率器件工作的特殊性，首先建立了高温特性的分析模型，然后移植到ISE模拟软件，重点分析了高温对GCT特性的影响，模拟了高温下GCT的各项特性。并讨论了热阻对GCT高温特性的影响，提出改善GCT高温特性的方法。最后，给出了5kV高压A-GCI优化设计的结构参数。主要研究内容如下：
　　首先，简要地分析了A-GCT器件的结构特点与工作机理。
　　第二，讨论了关键结构参数对A-GCT器件特性的影响，利用ISE软件模拟了GCT器件在常温下的各项特性。结果表明，GCT阻断电压(Uβ)主要由两基区和缓冲层的结构参数决定，透明阳极对其影响较小。通态压降(UF)主要由体压降组成，透明阳极参数对其有一定的影响。关断时间主要与透明阳极区的参数和少子寿命有关。增大少子寿命，可降低通态压降，抑制漏电流，但关断时间（toff)加长。
　　第三，研究了高温对GCT器件关键特性参数的影响。针对GCT器件工作时产生的各种物理效应，选取了与实际情况较接近的物理模型参数，建立了高温特性的分析模型，移植到ISE模拟软件，模拟了高温下器件的静态、动态特性。结果表明，GCT器件的阻断电压随温度升高先增加后下降；在高电流密度下GCT正向压降随温度升高而增大；开通和关断过程变慢。增大少子寿命，可明恩改善GCT器件的高温阻断特性，但会使其关断变得更加困难。另外，模拟了热阻对器件高温特性的影响，提出了改善GCT高温特性的方法。最后，给出满足5kV离压要求的A-GCT器件优化设计的结构参数。
　　最后，分析了注入效率可控的GCT(IEC-GCT)器件的结构特点和工作机理。利用ISE软件对IEC-GCT器件的静态特性和高温阻断特性进行了模拟分析。
　　该研究成国对GCT器件高温可靠性的研究有一定参考价值。

目录

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中文摘要

1 绪论

1.1 电力半导体器件及其发展

1.1.1 电力半导体器件的分类

1.1.2 电力半导体器件的发展趋势

1.2 IGCT的应用前景与研究的意义

1.2.1 IGCT的国内外发展现状

1.2.2 应用前景与研究的意义

1.3 本文主要工作

2 IGCT器件结构与工作机理

2.1 GCT的结构特点

2.1.1 透明阳极

2.1.2 缓冲层

2.1.3 硬驱动技术

2.2 GCT的工作机理

2.2.1 GCT的开通

2.2.2 GCT的关断

2.2.3 GCT的换流机理

2.3 本章小结

3 GCT的特性分析与模拟

3.1 设计考虑

3.1.1 器件结构模型参数

3.1.2 设计考虑

3.2 GCT的静态特性分析

3.2.1 门极特性

3.2.2 阻断特性分析

3.2.3 导通特性分析

3.2.4 载流子寿命对GCT静态特性的影响

3.3 GCT的动态特性分析与模拟

3.3.1 开通特性分析与模拟

3.3.2 关断特性分析

3.3.3 载流子寿命对GCT动态特性的影响

3.4 常温下GCT关键结构参数的选取

3.5 本章小结

4 GCT高温特性分析

4.1 受温度影响的相关参数

4.1.1 门极触发电流与温度的关系

4.1.2 漏电流Ico与温度的关系

4.1.3 阻断电压与温度的关系

4.1.4 压降与温度的关系

4.2 高温特性分析模型的建立

4.2.1 物理模型参数与温度的关系

4.2.2 数学方程

4.3 高温静态特性分析

4.3.1 高温阻断特性

4.3.2 导通特性随温度的变化

4.3.3 寿命对静态温度特性的影响

4.4 高温动态特性分析

4.4.1 温度对开通过程的影响

4.4.2 温度对关断过程的影响

4.4.3 寿命对动态温度特性的影响

4.5 散热对器件高温特性的影响

4.6 高温特性的改善方法与优化结构参数

4.6.1 改善温度特性的方法

4.6.2 优化的结构参数

4.7 本章小结

5 IEC-GCT的特性分析

5.1 IEC-GCT的结构特点与工作机理

5.2 IEC-GCT的特性分析

5.2.1 阻断特性

5.2.2 导通特性

5.2.3 高温阻断特性

5.3 本章小结

6 结论

致谢

参考资料

附录:在读期间发表的论文