IGBT 可看作 MOSFET 驱动的 BJ T , 并且这个 BJ T —4 —
311 IGBT 中 BJT 的模型分析 从结 构 图 来 看 , IGBT 相 当 于 一 个 由 MOSFET
驱 动 的 BJ T , 其 等 效 电 路 如 图 2 所 示 。在 模 型
图 2 NPT2IGBT 等效电路图
中性基区的靠发射极和集电极边缘处的多数载流子 浓度不同引起的 。在高增益 、窄基区的晶体管中 , 式 (12) 的欧姆电压降被忽略 , 认为电压全部降落 在 PN 结上 。 312 IGBT 中 MOSFET 的模型分析
沟道电流采用对饱和特性进行改进的模型 [ 6 ]
P0/ ln [ ( P0/ NB) csch ( W/ L ) ] 。式中第二项是由在
1 引言
电力电子电路的仿真的关键是电力电子器件的 仿真 , 电力电子器件的模型直接影响仿真的范围 、 效果和精确程度 。自 80 年代绝缘栅双极型晶体管 ( IGBT) 问世以来 , 它的仿真模型的建立一直受到人 们的广泛关注 。国外的一些文献已经讨论了构造 IGBT 模型的方法 。Hefner[1]和 Kraus[2]是其中对模型 特性描述比较全面 、具有代表性的两类模型 。在这 两类模型的理论基础上 , Kuang Shen[3]等发展了模型 的某些特性 , 建立了改进模型 。这些模型最终添加 到 Saber 仿真软件包中 , 以实现模型的动态仿真 。 但 Saber 仿真环境价格较昂贵 , 国内应用并不十分 广泛 。本文将利用 MATLAB , 实现非穿通型绝缘栅 双极晶体管的静态特性 , 为实现 MATLAB 中动态仿 真提供前提条件 。
—6 —
图 3 600V/ 20A IGBT伏安特性
图 4 600V/ 20A IGBT饱和特性
5 结论
与传统的双极性晶体管模型相比较 , 此模型考
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0 Vgs < Vt
Imos =
Kp
( Vgs -
Vt) V ds -
1 2
V 2ds
0 < V ds < Vgs - V
(14)
Kp 2
( Vgs
-
Vt) 2
1-
1 ΔL mos/ L mos
V ds ≥ Vgs - Vt
313 静态 I2V 特性
程 , 计算微分 。这样添加的静态特性部分 , 才能用
- μDnln
P0 + NB NB
(12)
式中
—5 —
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《电工技术杂志》2001 年第 11 期
得到 Imsaots与 P0 的关系 。
4 静态特性的 S2function 描述
对于 IGBT 的静态特性 , 可以直接编程实现 , 但 为了在 MATLAB 仿真环境 simulink 中最终实现 IGBT 模型的动态仿真 , 采用 simulink 中提供的 S2function 模型构造语言完成模型的静态特性的描述 。因为 MATLAB 描述状态方程形式的模型较为方便 , 所以 把 IGBT 模型看作一个连续系统 。
射2基电压 。MOSFET 部分的简单模型和双极性传输
方程联立 , 来描述 IGBT 的通态电流电压特性 。双极
性传输方程的参考直角坐标系如图 1 右侧所示 。
(1) 过剩载流子浓度方程 在正偏工作条件下 ,
BJ T 的集电极2基极结是反偏的 , 它的耗尽层宽度为
Wbcj = 2εsi ( V bc + V bi) / qNB
又由于基区载流子总电荷 Q = qA δp ( x) d x 得 0
到 ,对上式积分得
Q
=
qP0 ALtanh
W 2L
(7)
第一个边界条件是设发射结处的载流子浓度 P0 为
模型参数 , 作为模型中间变量 ; 而第二个边界条件
规定在耗尽区边缘 x = W 处 , 过剩载流子浓度为零 ,
这是因为集电结反偏 , 到达这里的任何少数载流子
(4)
准中性基区的宽度为
W = WB - Wbcj
(5)
则在稳态时 9δp/ 9 t = 0 , 并且利用边界条件
9 p/ 9 x| x = 0 = P0 , 9 p/ 9 x| x = W = 0 求解方程 (3)
δp ( x)
=
P0
sinh[ ( W sinh ( W/
x) / L)
L
]
(6)
∫W
因为 IGBT 的集电极和发射极之间的电压降 V 于 simulink 的动态仿真 。
为 MOSFET 的源极2漏极压降和 BJ T 的集电极2发射极
以下给出 MATLAB 中得到的静态特性如图 3 、
压降的总和
图 4 所示 。
V = V ds + Veb
(15)
IGBT 总电流 I 为 P0 的二次函数 , 而 Ved为 I 和 P0 的
是一个轻掺杂 、宽基区 、低增益 ( In～ Ip ) 的双极 性晶体管 , 这与传统的高增益 、低注入的 BJ T 不同 。 使得传统 BJ T 模型不能应用在这里 , 很多行为模型 简单地用模型库中的 MOS 和 BJ T 模型复合为 IGBT 模型是很不准确的 。
图 1 NPT2IGBT 元胞结构图及模型坐标
《电工技术杂志》2001 年第 11 期
·研究与开发 ·
NPT 型 IGBT 静态模型分析及仿真
廖家平 刘劲楠 (湖北工学院 430064)
摘 要 对非穿通型绝缘栅双极晶体管 (NPT2IGBT) 的静态工作特性进行了理论分析 。从 IGBT 结构入手 , 把它看作 MOSFET 驱动的 BJ T , 从其包含的 BJ T 和 MOSFET 分别讨论 。并且对比 了传统 BJ T 模型和 IGBT 中包含的 BJ T 模型的分析方法 , 详细讨论了用双极传输方程分析 BJ T 模 型 。在 MATLAB 的仿真环境中添加相应的模型描述语言 S2function , 实现静态特性 , 为实现动态 仿真提供前提条件 。 关键词 非穿通型绝缘栅双极晶体管静态模型 双极传输方程 模型描述语言
Veb = (φpej - φnej) + (φnej - φnb)
(11)
式中 φpej - φnej ———电子在发射极中准费密级电压 降 , 由式 (8) 给出
φnej - φnb ———电子在准中性基区中准费密级
电压降
∫ φnej - φnb = -
W 0
dφn ( x) dx
dx
=
(1
I ·W + 1/ b) μn Aqneff
点的总电流相等 , 即 9 I/ 9 x = 0 , 代入空穴连续方程
得双极扩散方程
92δp 9 x2
=
δp
L2
+
1 D
9δp 9t
(3)
式中 L = DτHL为双极扩散长度
Hefner IGBT 模 型 中 用 一 系 列 参 数 方 程 来 表 示
IGBT 中的 BJ T 的发射极和基极电流 、载流子浓度 、
(8)
则基极和发射极的电流可从式 (1) 、(2) 、(6) 、(8) 得
到
IB
=
In ( W)
=
P20 Isne n2i
+
qP0 AD ·
L
cosh
W L
-
1 sinh ( W/ L )
(9)
IC =
Ip ( W)
=
P20 Isne bn2i
+
qP0 AD ·
L
cosh ( W/ L )
b
+
会立刻被电场扫到集电极去 。等式 (7) 只在静态
时 , Q 和 P0 的关系才满足 。
(2) 集电极和基极电流方程 在大注入条件下 ,
利用准平衡近似 , 可推出从发射极注入的电子电流
为
In (0) I sne
=
exp
q kT
(φpej
-
φnej)
=
P0 ( NB + n2i
P0)
≈
P20 n2i
由于在实际工作范围内 , IGBT 中的这个双极性 晶体管 (BJ T) 处于低增益 、大注入状态 , 电子和空 穴电流相互耦合 , 因此不能分开处理电子和空穴 , 必须用双极传输方程来描述 。这里利用了 IGBT 的总 电流 I 与位置无关 , 即 I = In + Ip , 消去双极传输方 程中的电场得到 。
函数 , 在静态时把 Imos = In ( W) 代入 MOSFET 伏2
安特性公式 (14) 中 , 则 Vds也为 Vgs和 P0 的函数 。
消去中间变量 P0 , 则得到伏安特性 。
当 把 MOSFET 中 饱 和 电 流 Imsaots = Kp ( Vgs -
Vds) 2/ 2 的关系式代入 In ( W) 的表达式 (9) 中时 ,
电子和空穴的电流的传输方程 [ 1 ]
In
=
1
b +
bI
+
qAD
9n 9x
(1)
Ip
=
1
b +
bI
-
qAD
9p 9x
(2)
式中 b = μn/ μp
D = 2 Dn Dp/ ( Dn + Dp) 以上的两个表达式都与总电流 I 有关 , 且不能