王佳蕊， 孔 力， 周亞星， 肖 浩， 李魯陽， 祁曉敏

(1.中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

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基于物理的IGCT電路模型參數(shù)提取方法

王佳蕊1, 2， 孔 力1， 周亞星1, 2， 肖 浩1， 李魯陽1, 2， 祁曉敏1, 2

(1.中國科學(xué)院電工研究所， 北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著集成門極換流晶閘管(IGCT)在大功率電力電子裝置的大范圍推廣，相應(yīng)的高精度仿真研究必不可少，IGCT模型特別是具有較高精度的基于物理的IGCT電路仿真模型將發(fā)揮更加重要的作用。本文充分考慮了IGCT結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其運(yùn)行特性對參數(shù)提取的影響，結(jié)合理論分析、實(shí)驗(yàn)提取、實(shí)物測量及經(jīng)驗(yàn)估算，在已有參數(shù)提取方法的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型的參數(shù)提取方法。搭建了具備感性負(fù)載的箝位電路測試平臺，用于參數(shù)提取及提取方法驗(yàn)證，將采用本文方法提取的模型參數(shù)用于上述IGCT電路模型，進(jìn)行電路仿真分析，所得IGCT模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度擬合，驗(yàn)證了本文參數(shù)提取方法的正確性。

集成門極換流晶閘管； 改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法； 電路模型； 參數(shù)提取

1 引言

集成門極換流晶閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)采用了特殊的結(jié)構(gòu)及工藝，使其相對于門極關(guān)斷晶閘管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)擁有優(yōu)越的開關(guān)特性和較高的工作頻率，同時繼承了GTO的功率處理能力，屬于具備高可靠性的全控晶閘管[1-4]。IGCT問世起，即在高壓大容量電力電子變流器裝置中占據(jù)著重要位置，在機(jī)車牽引、艦船驅(qū)動、電力變換、軋鋼與煤礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-9]。IGCT在諸多領(lǐng)域的大幅推廣，對應(yīng)的含IGCT的仿真研究亦顯著增加，故IGCT建模及模型的參數(shù)提取成為IGCT相關(guān)研究的熱點(diǎn)之一。

目前，適用于電路仿真研究的IGCT模型主要包含基于外特性的行為模型[10,11]和基于物理的電路模型[12-15]，行為模型采用等效電路或曲線擬合方式使模型外特性趨近于器件真實(shí)工況，模型結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)，但精度較低；基于物理的電路模型以IGCT內(nèi)部載流子運(yùn)行的物理機(jī)制為基礎(chǔ)，模型不但具有較高精度，同時可獲取內(nèi)部載流子隨時空的分布情況，即將內(nèi)部微觀特性與外部宏觀特性建立了緊密聯(lián)系?？紤]到高精度仿真研究的趨勢，及對含IGCT變流器系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性的影響，對基于物理的IGCT電路模型的需求將更加迫切。然而，此類模型所需參數(shù)較多，參數(shù)的準(zhǔn)確性直接決定了模型的準(zhǔn)確性。因此，提出一種針對基于物理的IGCT電路模型、具有較強(qiáng)可操作性的參數(shù)提取方法極為必要。

文獻(xiàn)[16]提出了無需破壞器件結(jié)構(gòu)的參數(shù)提取方法，使其建立的IGCT電路模型外特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，但I(xiàn)GCT為穿通型(Punch Through，PT)器件，而其采用的N基區(qū)參數(shù)提取方法僅適用于不含緩沖層的非穿通型(Non-Punch Through，NPT)器件；文獻(xiàn)[17]總結(jié)了現(xiàn)階段大功率電力電子器件結(jié)溫的提取方法，但大部分方法僅適用于模塊化的大容量IGBT等器件，無法用于壓接型的IGCT，且未涉及其余參數(shù)類型；文獻(xiàn)[18]采用Saber軟件動態(tài)仿真與量子遺傳算法相結(jié)合的方法對PIN型功率二極管參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，該方法以物理分析為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)波形為目標(biāo)逐步調(diào)整模型參數(shù)，近似于曲線擬合，側(cè)重于參數(shù)優(yōu)化而非提取，此外，相比PIN型功率二極管而言，IGCT結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、參數(shù)較多，該方法是否有助于IGCT的參數(shù)準(zhǔn)確提取有待進(jìn)一步研究。

本文在上述分析及現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，以應(yīng)用較為廣泛的ABB公司型號為5SHY 35L4520的非對稱型IGCT為研究目標(biāo)，提出了一種適用于基于物理的IGCT電路模型的參數(shù)提取方法，該模型包含幾何參數(shù)及物理參數(shù)。本方法充分考慮了IGCT包含緩沖層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及IGCT處于高壓斷態(tài)呈現(xiàn)PT狀態(tài)時的器件內(nèi)部載流子分布特性，并結(jié)合了理論分析、實(shí)驗(yàn)提取、實(shí)物測量及經(jīng)驗(yàn)估算，實(shí)現(xiàn)了對模型參數(shù)的提取。為便于模型參數(shù)提取及提取方法的驗(yàn)證，搭建了感性負(fù)載箝位電路測試平臺，將采用本文方法提取的模型參數(shù)應(yīng)用于上述IGCT模型進(jìn)行電路仿真分析，所得仿真結(jié)果與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的高度擬合證明了本文參數(shù)提取方法的正確性。

2 基于物理的IGCT電路模型

IGCT核心部分GCT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1所示，本文涉及的模型為基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型：N基區(qū)采用改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法，P基區(qū)采用電荷控制法，N緩沖層采用準(zhǔn)靜態(tài)法，各層通過邊界處電流和PN結(jié)兩端載流子濃度相關(guān)聯(lián)；壓降子模型結(jié)合改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法承壓表達(dá)式與玻爾茲曼關(guān)系式求解模型總壓降；溫度子模型根據(jù)仿真過程中IGCT模型功耗實(shí)時計(jì)算結(jié)溫變化，再反饋到IGCT模型內(nèi)部溫度相關(guān)變量，提高模型精度；P+和N+摻雜濃度高、寬度極窄，暫不考慮?；诟倪M(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型與參數(shù)提取直接相關(guān)的子模型涉及以下4個：N緩沖層模型、N基區(qū)模型、P基區(qū)模型和溫度子模型。

圖1 GCT結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of GCT

針對該模型建模方法的GCT內(nèi)部載流子濃度和電流分布示意如圖2所示，其中N基區(qū)與P基區(qū)虛線代表IGCT承受正向阻斷電壓時，耗盡區(qū)邊界位置及載流子分布的變化情況。限于篇幅，下面僅簡要描述與基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法IGCT電路模型參數(shù)提取相關(guān)的4個子模型的建模方法。

圖2 GCT內(nèi)部電荷與電流分布示意圖Fig.2 Charge profile and current components of GCT

2.1 N基區(qū)子模型

N基區(qū)相對其余各區(qū)域具備較大的寬度及較低的摻雜濃度，對IGCT的通態(tài)壓降及阻斷能力起決定性作用，該區(qū)域電子與空穴載流子濃度運(yùn)動及分布特性較復(fù)雜，需采用雙極輸運(yùn)方程(Ambipolar Transport Equation，ATE)對載流子的運(yùn)動情況進(jìn)行詳細(xì)分析，故采用改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法建模。由N基區(qū)電子與空穴連續(xù)性方程，可得描述IGCT的N基區(qū)非耗盡區(qū)載流子隨時空分布情況的ATE：

(1)

式中，μ為雙極遷移率；D為雙極擴(kuò)散系數(shù)；E為電場強(qiáng)度；τ為過?？昭▔勖沪膒為過?？昭舛龋瑸楸阌诤罄m(xù)推導(dǎo)，用p代替δp。

當(dāng)N基區(qū)處于大注入狀態(tài)時，過?？昭舛萷遠(yuǎn)大于N基區(qū)摻雜濃度NBN，考慮半導(dǎo)體內(nèi)部電中性條件可知p≈n，n為N基區(qū)電子濃度，則μ≈0，ATE可化為大注入雙極擴(kuò)散方程(Ambipolar Diffusion Equation，ADE)：

(2)

式中，τNH為大注入時過?？昭▔勖?，ADE描述了大注入時N基區(qū)內(nèi)過?？昭S時間和空間的分布情況。

當(dāng)N基區(qū)處于小注入狀態(tài)時，N基區(qū)注入的過?？昭舛冗h(yuǎn)小于N基區(qū)摻雜濃度，可知p<

(3)

式中，τNL為小注入時過剩空穴壽命；DP為空穴擴(kuò)散系數(shù)。

大注入及小注入ADE均采用改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法求解。如圖2所示，x1至x2為N基區(qū)非耗盡區(qū)，基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)建模方法，該區(qū)p(x，t)可化為離散余弦傅里葉級數(shù)表達(dá)式：

(4)

式中，x∈[x1,x2]，傅里葉級數(shù)系數(shù)P0(t)和Pk(t)計(jì)算公式如下：

(5)

(6)

式中，k=1，2，3，…。

圖3為k取奇數(shù)與偶數(shù)時分別對應(yīng)的求解N基區(qū)非耗盡區(qū)過剩空穴濃度的等效RC電路，將式(4)～式(6)代入式(2)和式(3)，可由圖3所示的等效RC電路分別求得對應(yīng)大、小注入時P0(t)及Pk(t)，進(jìn)而求得N基區(qū)非耗盡區(qū)過剩載流子隨時間和空間的分布情況，圖3中RC電路端電壓即為Pk，將其代入式(4)即可得到N基區(qū)非耗盡區(qū)過?？昭ǖ姆植继匦?。

圖3 等效RC電路Fig.3 Equivalent RC circuits

當(dāng)IGCT正向阻斷時J2結(jié)反偏，N基區(qū)右側(cè)耗盡區(qū)變寬，承壓VSC幾乎等于外部電壓，表達(dá)式為：

(7)

式中，KP與KI為關(guān)斷暫態(tài)仿真時間的函數(shù)；px2為由式(4)求得的移動邊界x2處過?？昭舛取?/p>

2.2 P基區(qū)子模型

P基區(qū)寬度較N基區(qū)窄、摻雜濃度高，且該區(qū)同時與門極及陰極相連，不易采用以粒子數(shù)守恒為基礎(chǔ)的載流子連續(xù)性方程建模，而應(yīng)著眼于電荷控制載流子輸運(yùn)的全局視角，采用通過電荷連續(xù)性方程求解的電荷控制方法建立該P(yáng)基區(qū)模型。由電荷連續(xù)性方程可得描述P基區(qū)暫態(tài)過程的電荷控制方程：

(8)

式中，τP為P基區(qū)過剩電子壽命；QP為P基區(qū)電子電荷量；In2與In3分別為流過J2結(jié)與J3結(jié)的電子電流。

假設(shè)P基區(qū)過剩電子濃度np滿足雙曲正弦分布，表達(dá)式為：

(9)

式中，y∈[0，WP]；nb2與nb1為P基區(qū)左右邊界處少子濃度；WP為P基區(qū)寬度；Ln為P基區(qū)電子擴(kuò)散長度。由J2結(jié)玻爾茲曼關(guān)系可得：

(10)

式中，NBP為P基區(qū)摻雜濃度；VJ2為J2結(jié)壓降；ni為本征載流子濃度；q為電子電荷；k為玻爾茲曼系數(shù)；T為溫度。根據(jù)QP與np的積分關(guān)系及全電流公式可得In2表達(dá)式：

(11)

式中，A為有效面積；IA為陽極關(guān)斷電流；Dn與Dp分別為電子與空穴擴(kuò)散系數(shù)；μn與μp分別為電子和空穴的遷移率。

因N+射集區(qū)可視為空穴阱，可得J3結(jié)空穴電流Ip3表達(dá)式：

Ip3=qAhnnb12

(12)

式中，hn為N+發(fā)射極空穴復(fù)合系數(shù)，可得In3表達(dá)式：

In3=IA+IG-Ip3

(13)

式中，IG為門極電流。

2.3 N緩沖層模型

與N基區(qū)相比，N緩沖層寬度極窄、摻雜濃度極高，故可忽略N緩沖層過剩載流子隨時間的變化，利用準(zhǔn)靜態(tài)方程描述區(qū)域過剩載流子的空間分布特性，其表達(dá)式為：

(14)

式中，z∈[0，WH]，WH為N緩沖層寬度；LpH為空穴擴(kuò)散長度；τBF為N緩沖層過剩空穴壽命，根據(jù)式(14)通解可得N緩沖層空穴分布特性，進(jìn)而得J1結(jié)空穴電流Ip1表達(dá)式：

(15)

式中，PH0與PHW為N緩沖層左右邊界處空穴濃度；且二者均為N緩沖層摻雜濃度NH的函數(shù)。

2.4 溫度子模型

根據(jù)拆解IGCT封裝結(jié)構(gòu)可知，除硅片外，在硅片陰極側(cè)與陽極側(cè)均包含鉬片及銅塊，鉬片導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能強(qiáng)，熱膨脹系數(shù)小，且易于加工，用于防止硅片損壞，銅塊作為陽極及陰極端子，實(shí)現(xiàn)與外電路的壓接。

IGCT模型動態(tài)結(jié)溫可通過有限差分法獲取。假設(shè)熱量于一維空間傳遞時，通過薄層的熱量傳導(dǎo)滿足如式(16)所示的熱導(dǎo)方程：

(16)

式中，Pin為熱源實(shí)時功率；λ為材料熱導(dǎo)系數(shù)；c為材料比熱容；ρ為材料密度；T為材料溫度；l為材料長度。

由一維熱導(dǎo)方程可得：

(17)

式中，R為等效熱阻；C為等效熱容；T2為輸入端溫度；T1為輸出端溫度。結(jié)合上述分析及GCT封裝結(jié)構(gòu)，可用如圖4所示的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型建立IGCT溫度子模型，其中PAK為IGCT實(shí)時功率，T為GCT內(nèi)部熱源溫度，Ta為環(huán)境溫度，T和Ta均為圖4中電路節(jié)點(diǎn)電壓，RCu_A、RMo_A、RSi_A與CCu_A、CMo_A、CSi_A分別為陽極側(cè)銅塊、鉬片、及硅片電阻與電容，RCu_K、RMo_K、RSi_K與CCu_K、CMo_K、CSi_K分別為陰極側(cè)銅塊、鉬片、及硅片電阻與電容。

圖4 含管殼的GCT熱阻網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Fig.4 Diagram of thermal impedance network of GCT with package.

上述四個子模型包含了基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型的全部待提取參數(shù)，下文將在已有參數(shù)提取方法的基礎(chǔ)上，提出一種適用于本文模型的參數(shù)提取方法。

3 模型參數(shù)提取

通過模型概述可知，基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型包含摻雜濃度、少子壽命等物理參數(shù)，同時包含有效面積、寬度及管殼封裝結(jié)構(gòu)尺寸等幾何參數(shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確性對IGCT電路模型的精度起決定性作用。該部分將結(jié)合理論分析、實(shí)驗(yàn)提取、實(shí)物測量及經(jīng)驗(yàn)估算，實(shí)現(xiàn)對模型參數(shù)的提取。實(shí)驗(yàn)采用帶有感性負(fù)載的IGCT限流箝位單管測試平臺進(jìn)行，測試平臺原理如圖5所示。虛線左側(cè)為限流箝位吸收電路，右側(cè)為IGCT與感性負(fù)載及二者的續(xù)流回路。參數(shù)提取過程中所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過該測試平臺實(shí)驗(yàn)獲取。

圖5 IGCT測試平臺Fig.5 Test platform of IGCT

3.1 N基區(qū)參數(shù)

3.1.1 N基區(qū)寬度及摻雜濃度

利用Fulop近似[19]可得硅基器件碰撞電離系數(shù)α表達(dá)式：

α=1.8×10-35E7

(18)

式中，E為耗盡區(qū)場強(qiáng)。寬基區(qū)為N型摻雜的突變型PN結(jié)如圖6所示。

圖6 突變型PN結(jié)電場及電壓分布示意圖Fig.6 Electric field and potential distribution of abrupt PN junction

此時N區(qū)場強(qiáng)呈三角形分布，當(dāng)電子與空穴的電離碰撞系數(shù)近似相等時，雪崩擊穿條件發(fā)生的條件為：

(19)

式中，WA為器件發(fā)生雪崩擊穿時對應(yīng)的N基區(qū)寬度。發(fā)生雪崩擊穿前，器件處于阻斷狀態(tài)，則耗盡區(qū)承壓滿足泊松方程：

(20)

式中，εSi為硅的介電常數(shù)。由式(20)可得N型耗盡區(qū)場強(qiáng)E的表達(dá)式：

(21)

將式(21)代入式(20)可得N基區(qū)耗盡部分壓降表達(dá)式：

(22)

將x=WA及擊穿電壓VA代入式(22)可得WA表達(dá)式：

No adverse event was found for the 148 participants included in the present study.

(23)

將式(23)代入式(21)可得擊穿場強(qiáng)EA表達(dá)式：

(24)

將式(18)、式(21)代入式(19)可得雪崩擊穿時N基區(qū)摻雜濃度NBN與擊穿寬度WA關(guān)系式：

將式(25)代入式(23)可得擊穿電壓VA與NBN的關(guān)系式：

將式(26)代入式(24)可得擊穿場強(qiáng)EA與NBN關(guān)系式：

由圖6及式(18)～式(24)分析可知，式(25)～式(27)是在低摻雜N區(qū)未穿通前提下推導(dǎo)所得，但由圖1可知，IGCT包含N緩沖層，即IGCT承受正向壓降時N基區(qū)將穿通，即式(25)～式(27)不適宜用于IGCT低摻雜N基區(qū)參數(shù)的提取。

IGCT低摻雜N基區(qū)場強(qiáng)及電壓分布如圖7所示，N基區(qū)寬度為WN，場強(qiáng)呈梯形分布，假設(shè)外部電壓完全由N基區(qū)承受，則N基區(qū)場強(qiáng)E及VA表達(dá)式將滿足下式：

(28)

(29)

圖7 IGCT正向阻斷時N基區(qū)場強(qiáng)與電壓分布示意圖Fig.7 Electric field and potential distribution of N base for IGCT during forward blocking state

將式(18)、式(28)代入式(19)可得WN與EA及NBN的關(guān)系式：

(30)

將式(30)代入式(29)可得VA與EA及NBN的關(guān)系式：

(31)

圖8 擊穿電壓VA與EA及NBN關(guān)系示意圖Fig.8 Diagram of breaking voltage VA with EA and NBN

設(shè)當(dāng)N基區(qū)恰好完全耗盡時，IGCT的阻斷電壓為VD，將WN=334μm代入式(23)可得VD=2115V。

3.1.2 N基區(qū)及N緩沖層少子壽命

N基區(qū)壽命τN及N緩沖層壽命τBF均通過IGCT關(guān)斷暫態(tài)時陽極電流iA的拖尾階段實(shí)驗(yàn)波形提取。因IGCT拖尾階段電流較小，故認(rèn)為N基區(qū)與N緩沖層過剩少子的減少由區(qū)域內(nèi)載流子的復(fù)合導(dǎo)致，則滿足如下所示的電荷控制方程[20]：

(32)

或

(33)

式中，QN與τeff分別為N基區(qū)及N緩沖層的過剩空穴電荷量及過?？昭ㄓ行勖?，由式(33)可得拖尾階段iA表達(dá)式：

(34)

式中，itail為iA在拖尾階段的起始電流值；ttail為拖尾階段起始時刻。對式(34)求導(dǎo)，并代入t=ttail可得τeff表達(dá)式：

(35)

由上文可知，N基區(qū)完全耗盡時IGCT承壓為2115V，此時僅有N緩沖層尚存過?？昭?，故通過式(35)求得的有效壽命τeff即為N緩沖層少子壽命τBF。圖9為IGCT箝位電壓VAK=2115V、關(guān)斷電流IA取不同值時，通過IGCT關(guān)斷暫態(tài)時iA的拖尾階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果及式(35)得到的N緩沖層壽命隨IA變化示意圖，由圖9可知，不同電流時，因?qū)嶒?yàn)波形、拖尾電流點(diǎn)選取及斜率計(jì)算等過程難免存在誤差，故τBF稍有區(qū)別，但處于可接受范圍內(nèi)，取各點(diǎn)壽命的代數(shù)平均值，可得N緩沖層少子壽命τBF=0.73μs。

圖9 N緩沖層壽命τBF隨關(guān)斷電流IA變化示意圖Fig.9 Diagram of N buffer lifetime τBF verse turn-off current IA

同理，當(dāng)箝位電壓VAK較小時，N基區(qū)幾乎無耗盡，且N基區(qū)摻雜濃度較低、寬度大，則τeff由N基區(qū)空穴壽命決定。當(dāng)VAK僅為50V、75V及100V，此時由式(35)可得N基區(qū)壽命約為0.6μs。由于相應(yīng)的拖尾電流起始值均小于30A，故該壽命為N基區(qū)過?？昭ㄐ∽⑷雺勖覰L，而大注入壽命通常為小注入壽命2倍，故N基區(qū)過?？昭ù笞⑷雺勖覰H=1.2μs。

3.2 P基區(qū)參數(shù)

3.2.1 P基區(qū)摻雜濃度

由IGCT門極驅(qū)動電路[2]可知，IGCT收到關(guān)斷信號后，門陰極間的陰極側(cè)PN結(jié)將承受反向偏置電壓，因P基區(qū)摻雜濃度較N+射集區(qū)低，故耗盡區(qū)主要在P基區(qū)展開。為避免陰極側(cè)PN結(jié)反向擊穿，由式(26)可得P基區(qū)位于陰極側(cè)PN結(jié)處的摻雜濃度NBP需滿足下式：

式中，VGU為門極驅(qū)動關(guān)斷電路電壓，通常為20V，代入式(36)可得NBP<3.6749×1016，為留有一定安全裕量，取NBP=3.0×1016。

3.2.2 P基區(qū)寬度

IGCT開通暫態(tài)過程包括延遲階段和上升階段，其中的延遲階段主要由內(nèi)建PNP及內(nèi)建NPN晶體管的基區(qū)渡越時間決定。由文獻(xiàn)[19]可知，當(dāng)門極注入電流時，陰極側(cè)N+射集區(qū)開始注入電子，注入的電子將以擴(kuò)散的形式穿過P基區(qū)，對應(yīng)的基區(qū)渡越時間tNPN表達(dá)式為：

(37)

當(dāng)N+射集區(qū)注入的電子到達(dá)N基區(qū)后，為保持N基區(qū)電中性，陽極側(cè)P+射集區(qū)將空穴注入N基區(qū)，對于IGCT工況，該部分空穴將主要以漂移的方式穿過N基區(qū)，對應(yīng)的基區(qū)渡越時間tPNP表達(dá)式為：

(38)

圖10為VAK=50V時，IGCT開通暫態(tài)控制信號CS及端電壓vAK與陽極電流iA示意圖。由圖10可知，延遲時間td約為2.77μs。根據(jù)驅(qū)動開通電路運(yùn)行特性[2]可知，發(fā)出控制信號至產(chǎn)生門極電流間隔約2μs，故延遲時間td滿足下式：

td=tNPN+tPNP+2

(39)

圖10 VAK=50V時IGCT開通暫態(tài)波形圖Fig.10 Waveforms of the IGCT turn-on transient period when VAK is 50V

據(jù)上述理論分析及式(37)～式(39)，結(jié)合WN取值，可得P基區(qū)寬度WP=55μm。

3.2.3 P基區(qū)壽命

IGCT關(guān)斷暫態(tài)過程包含關(guān)斷存儲階段、下降階段及拖尾階段。關(guān)斷存儲階段又包含換流階段與P基區(qū)過剩電子的抽離階段，三者對應(yīng)的時間分別為tS、tC及tP，且滿足：

tS=tC+tP

(40)

P基區(qū)電子抽離階段，由于IGCT尚未承受外部電壓，陽極電流iA亦未減小，且陰極側(cè)電流已換向到門極，陰極不再向P基區(qū)注入電子，該階段通過陽極端子抽出的過剩電子電荷量QPn為：

QPn=IAtP

(41)

此外，已知IGCT導(dǎo)通時陰極側(cè)內(nèi)建NPN的電流放大系數(shù)αNPN約為0.8，即空穴電流約占陽極電流的0.2，且P基區(qū)過剩空穴分布情況由過剩電子決定，即二者壽命相等，則通過門極端子抽出的P基區(qū)過?？昭姾闪縌Pp為：

QPp=0.2IAτP

(42)

存儲時間tS隨關(guān)斷電流變化示意圖如圖11所示，由圖11可知，IA對tS影響較小，該型號IGCT可取tS=0.76μs，且已知關(guān)斷暫態(tài)tC通常小于0.2μs，則結(jié)合式(40)～式(42)可得P基區(qū)過剩空穴壽命τP=3.0μs。

圖11 IGCT關(guān)斷存儲時間tS隨關(guān)斷電流IA變化示意圖Fig.11 Diagram of turn-off storage time tS verse turn-off current IA of IGCT

3.3 其余參數(shù)提取

由于IGCT電路模型精度受N基區(qū)及P基區(qū)參數(shù)影響較大，且N基區(qū)及P基區(qū)參數(shù)較難根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)估，須采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法提取，而模型其余參數(shù)或?qū)δＰ途扔绊戄^小，或可通過經(jīng)驗(yàn)公式簡易提取，具體方法如下文所示。

3.3.1 有效面積

對于早期的小功率晶閘管硅片，平均通態(tài)電流密度通常約為100A/cm2，但隨硅片尺寸增大，平均通態(tài)電流密度將逐漸減小[21]。由5SHY 35L4520數(shù)據(jù)手冊可知，該型號IGCT平均通態(tài)電流ITAVM=1700A，模型有效面積A需大于17cm2。拆卸已損壞IGCT的晶片陰極叉指示意圖如圖12所示，晶片直徑為91mm，陰極梳條共包含約2770根，每根梳條尺寸約為0.3cm×0.03cm，對應(yīng)面積為24.93cm2，則取A=25cm2。

圖12 IGCT晶片陰極叉指示意圖Fig.12 Cathode fingers diagram of IGCT wafer

3.3.2 N緩沖層摻雜濃度及寬度

N緩沖層的作用是協(xié)調(diào)IGCT穩(wěn)態(tài)特性與開關(guān)特性之間的矛盾，相同壓降能力下縮短N(yùn)基區(qū)寬度，控制內(nèi)建PNP晶體管放大系數(shù)。典型的N緩沖層濃度NH取值范圍為(1～5)×1016cm-3，寬度WH可取范圍為4～25μm，故在本模型中取NH=3×1016cm-3，WH=16μm。

3.3.3 陰極側(cè)N+發(fā)射極空穴復(fù)合系數(shù)

陰極側(cè)N+發(fā)射極空穴復(fù)合系數(shù)hn可通過式(43)提取[22]：

(43)

式中，NENn為N+發(fā)射極摻雜濃度；τENp為N+發(fā)射極空穴壽命。但NENn及τENp不易提取，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)已知hn取值通常在1×10-14～2×10-14之間，故該模型取hn=2×10-14。

3.3.4 陽極側(cè)P+發(fā)射極電子飽和電流密度

陽極側(cè)P+發(fā)射極電子飽和電流密度Jesc表達(dá)式為[19]：

(44)

式中，NEPn為P+發(fā)射極電子濃度；LEPn為P+發(fā)射極電子擴(kuò)散長度；WEP為P+發(fā)射極寬度；Jesc典型取值范圍為1×10-13～4×10-13A/cm2，本文取Jesc=4×10-13A/cm2。

3.4 IGCT封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)

由IGCT電路模型概述可知，建立溫度子模型需已知GCT封裝結(jié)構(gòu)及參數(shù)。GCT封裝結(jié)構(gòu)如圖13所示[23]。由圖13可知，GCT封裝結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)集成門極單元對GCT的有效控制、確保其安全可靠運(yùn)行，在GCT硅片兩側(cè)添加了鉬片及端子壓接銅塊，本文通過實(shí)測封裝結(jié)構(gòu)尺寸，并結(jié)合各自結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對封裝結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行了合理取值，獲取了相應(yīng)參數(shù)見表1。

圖13 GCT封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Diagram of GCT package

參數(shù)物理意義提取值NH/cm-3N緩沖層摻雜濃度3×1016NBN/cm-3N基區(qū)摻雜濃度2.5×1013NBP/cm-3P基區(qū)摻雜濃度3×1016τBF/μsN緩沖層空穴壽命0.77τNH/μsN基區(qū)大注入時雙極壽命1.2τNL/μsN基區(qū)小注入時空穴壽命0.6τP/μsP基區(qū)電子壽命3.0WH/μmN緩沖層寬度16WN/μmN基區(qū)寬度334WP/μmP基區(qū)寬度55A/cm2有效面積25hn/(A·cm-2)N+發(fā)射極空穴復(fù)合系數(shù)2×10-14Jesc/(A·cm-2)P+射集電子飽和電流密度4×10-13WMo_A/cm陽極側(cè)鉬片厚度1.030WCu_A/cm陽極側(cè)銅塊厚度0.206WMo_K/cm陰極側(cè)鉬片厚度0.206WCu_K/cm陰極側(cè)銅塊厚度1.030DMo/cm鉬片直徑8.3DCu/cm銅塊直徑8.0

4 參數(shù)提取方法驗(yàn)證

基于上述理論分析、實(shí)驗(yàn)提取、實(shí)物測量及經(jīng)驗(yàn)估算，可得型號為5SHY 35L420 IGCT的基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的電路模型參數(shù)，如表1所示。為驗(yàn)證表1中參數(shù)提取方法的準(zhǔn)確性，本文對采用表1參數(shù)的基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型進(jìn)行了雙脈沖仿真研究，同時，利用如圖5所示的測試平臺進(jìn)行了感性負(fù)載雙脈沖實(shí)驗(yàn)，通過仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析，證明本文參數(shù)提取方法的正確性。

圖14與圖15分別為箝位電壓VAK等于2000V、關(guān)斷電流IA等于2000A時端電壓vAK及陽極電流iA仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在全局區(qū)域與開關(guān)暫態(tài)區(qū)域的對比示意圖。由圖14可知，IGCT電路模型仿真結(jié)果在一個開關(guān)周期內(nèi)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，滿足電路仿真的精度要求，圖14中vAK關(guān)斷時的過壓振蕩由圖5中虛線左側(cè)的限流箝位吸收電路導(dǎo)致，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的異步由仿真時箝位電路參數(shù)過于理想而引起；由圖15可知，開關(guān)暫態(tài)時vAK與iA仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形亦實(shí)現(xiàn)高度擬合，開通暫態(tài)iA上升率由限流電感Li決定，故開通暫態(tài)精度較易滿足；關(guān)斷暫態(tài)時，因本文采用改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法建立N基區(qū)模型，動態(tài)承壓系數(shù)KP與KI計(jì)算N基區(qū)承壓及對N基區(qū)過剩載流子注入狀態(tài)的區(qū)分，確保了模型在關(guān)斷暫態(tài)的vAK上升階段及iA關(guān)斷拖尾階段精度；開通暫態(tài)初始階段iA實(shí)驗(yàn)波形的小尖峰由箝位二極管DCL承受約為Li壓降的反偏電壓、其內(nèi)部PN結(jié)電容放電導(dǎo)致，而關(guān)斷暫態(tài)初始階段vAK及iA的振蕩由IGCT續(xù)流二極管D1的結(jié)電容與IGCT內(nèi)部集成電感串聯(lián)諧振導(dǎo)致，因仿真時DCL與D1均取自軟件模型庫，故二者電容效應(yīng)與實(shí)驗(yàn)器件存在一定差距，仿真中未實(shí)現(xiàn)較好擬合。

圖14 VAK=2000V、IA=2000A時仿真與實(shí)驗(yàn)全局對比圖Fig.14 Global comparison of simulations and experiments when VAK=2000V and IA=2000A

圖15 VAK=2000V、IA=2000A仿真與實(shí)驗(yàn)開關(guān)暫態(tài)對比圖Fig.15 Switching transient comparison of simulations and experiments when VAK=2000V and IA=2000A

結(jié)合圖14和圖15可知，利用本文方法提取的如表1所示的模型參數(shù)進(jìn)行基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型研究時，vAK及iA的仿真結(jié)果在整個工作區(qū)間及重點(diǎn)關(guān)注的開關(guān)暫態(tài)過程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均具有較高的擬合程度，表明仿真研究時模型采用的參數(shù)較為合理，進(jìn)而驗(yàn)證了本文提出的參數(shù)提取方法的有效性。

5 結(jié)論

本文針對基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型，提出了適用于該模型仿真研究的參數(shù)提取方法。利用IGCT數(shù)據(jù)手冊及理論分析提取了N基區(qū)寬度與摻雜濃度；借助IGCT限流箝位感性負(fù)載測試平臺，獲取了不同電壓及電流等級的IGCT開關(guān)暫態(tài)波形，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接或間接提取了N緩沖、N基區(qū)及P基區(qū)過剩少子壽命，以及P基區(qū)寬度；結(jié)合實(shí)物測量與經(jīng)驗(yàn)取值，獲取了IGCT電路模型所需的有效面積、封裝結(jié)構(gòu)參數(shù)等其余各部分參數(shù)。最后，通過IGCT開關(guān)暫態(tài)時模型端電壓vAK及陽極電流iA仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形的高度擬合，驗(yàn)證了針對基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型參數(shù)提取方法的有效性。

本文提出的基于物理的IGCT電路模型參數(shù)提取方法，確保了IGCT高精度模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，是IGCT精確模型研究的重要前提；提取的參數(shù)不僅適用于本文涉及的基于改進(jìn)型傅里葉級數(shù)法的IGCT電路模型，亦可應(yīng)用于有限差分等基于物理的IGCT精確模型，將對大功率IGCT變流器高精度仿真研究發(fā)揮促進(jìn)作用。

[1] Carroll E, Klaka S, Linder S. Integrated gate-commutated thyristors: a new approach to high power electronics[A]. Proceedings of IEEE IEMDC IGCT Press Conference[C]. Milwaukee, USA, 1997. 1-12.

[2] 5SYA2031-04, Applying IGCT gate units[S]. ABB Switzerland Ltd.

[3] Bernet S, Teichmann R, Zuckerberger A, et al. Comparison of high-power IGBT’s and hard-driven GTO’s for high-power inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1999, 35(2): 487-495．

[4] 童亦斌，張嬋，謝路耀，等(Tong Yibin, Zhang Chan, Xie Luyao, et al.)．4000A/4500V系列IGCT器件驅(qū)動電路(Drive technology for 4000A/4500V series IGCT)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2010，25(8)：110-115．

[5] Suh Y, Steimer P. Application of IGCT in high-power rectifiers[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(5): 1628-1636．

[6] 趙聰，李耀華，李子欣，等(Zhao Cong, Li Yaohua, Li Zixin, et al.)．模塊化多電平變流器開環(huán)環(huán)流抑制策略的漸進(jìn)穩(wěn)定性分析(Asymptotic stability analysis of open-loop circulating current suppression of modular multilevel converter)[J]．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2016，35(10)：1-8.

[7] Kang T, Lim H, Suh Y. Loss analysis of current source converter for 10kV IGCT in 7MW PMSG wind turbine systems[A]. 2016 IEEE 8th International Power Electronics and Motion Control Conference (IPEMC-ECCE Asia) [C]. Hefei, China, 2016.193-200.

[8] 孔德宏，李崇堅(jiān)，朱春毅，等(Kong Dehong, Li Chongjian, Zhu Chunyi, et al.)．IGCT-NPC/H橋型變流器換流過程研究(Research on IGCT-NPC/H bridge converter commutation process)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2014，29(6)：169-175．

[9] 張波，葛瓊璇，王曉新，等(Zhang Bo, Ge Qiongxuan, Wang Xiaoxin, et al.)．三電平ANPC變流器中點(diǎn)電位控制策略研究(Research on neutral point potential balancing for three-level ANPC converter)[J]．電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2016，35(8)：1-7．

[10] 袁立強(qiáng)，趙爭鳴，白華，等(Yuan Liqiang, Zhao Zhengming, Bai Hua, et al.)．用于大功率變流器的IGCT功能型模型(The functional model of IGCTs for the circuit simulation of high-voltage converters)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2004，24(6)：65-69.

[11] 范子超，劉文華，宋強(qiáng)，等(Fan Zichao, Liu Wenhua, Song Qiang, et al.)．適于硬開關(guān)變流器的IGCT/二極管綜合模型(A compositive model of IGCT/diode for hard-switching converters)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2008，23(3)：41-46．

[12] 肖友國，彭振東，任志剛(Xiao Youguo, Peng Zhendong, Ren Zhigang)．基于Saber的IGCT集總電荷模型研究(Research on lump-charge model of IGCT using Saber sofeware)[J]．電力電子技術(shù)(Power Electronics)，2015，49(11)：83-86．

[13] Wang X, Caiafa A, Hudgins J, et al. Implementation and validation of a physics-based circuit model for IGCT with full temperature dependencies[A]. IEEE 35th Power Electronics Specialists Conference(PESC) [C]. Aachen, Germany, 2004,1: 597-603.

[14] Kuhn H, Schroder D. A new validated physically based IGCT model for circuit simulation of snubberless and series operation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 38(6): 1606-1612.

[15] Lophitis N, Antoniou M, Udrea F, et al. Experimentally validated three dimensional GCT wafer level simulations[A]. 2012 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC’s[C]. Bruges, Belgium, 2012.349-352.

[16] Wang X, Hudgins J, Santi E, et al. Destruction-free parameter extraction for a physics-based circuit simulator IGCT model[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(6): 1395-1402.

[17] 李武華，陳玉香，羅皓澤，等(Li Wuhua, Chen Yuxiang, Luo Haoze, et al.)．大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望(Review and prospect of junction temperature extraction principle of high power semiconductor devices)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2016，36(13)：3546-3557．

[18] 方春恩，李威，李先敏，等(Fang Chunen, Li Wei, Li Xianmin, et al.)．PIN型功率二極管動態(tài)特性物理模型參數(shù)提取(Pin power diode dynamic behavior and physics-based model parameter extraction method)[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society)，2015，30(6)：208-215．

[19] Baliga B. Fundamentals of power semiconductor devices[M]. Springer Science & Business Media, LLC, New York, USA, 2008.

[20] Gohler L, Langer T, Sigg J. A destruction-free parameter extraction scheme for GTO models[A]. Thirty-Third IAS Annual Meeting[C]. Missouri, USA, 1998: 999-1004.

[21] Lophitis N, Antoniou M, Udrea, F, et al.. Turn-off failure mechanism in large area IGCTs[A]. 2011 International Semiconductor Conference [C]. Sinaia, Romania, 2011. 361-364.

[22] Schlangenotoo H, Gerlach W. On the effective carrier lifetime in p-s-n rectifiers at high injection levels[J]. Solid-State Electronics, 1969, 12(4): 267-275.

[23] 曾文彬，顏驥，任亞東，等(Zeng Wenbin, Yan Ji, Ren Yadong, et al.)．IGCT晶片的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(Package structure design of IGCT wafer)[J]．大功率變流技術(shù)(High Power Converter Technology)，2015，6：20-24．

Parameter extraction method of IGCT circuit model based on physics

WANG Jia-rui1, 2, KONG Li1, ZHOU Ya-xing1, 2, XIAO Hao1, LI Lu-yang1, 2, QI Xiao-min1,2

(1.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

With the large-scale applications of integrated gate commutated thyristors (IGCTs) in high-power power electronic devices, the corresponding high precision simulation researches are indispensable and IGCTs models, especially the physics-based circuit simulator models with higher precision, will play a more important role. Combined with the theoretical analyses, experimental extractions, physical measurements, and empirical estimations, and based on the existing method, this paper proposed a parameter extraction methodology for the IGCT circuit model established by the improved Fourier series method, which adequately considered IGCTs’ structure characteristics and the impacts of operating characteristics on the parameter extraction. A clamped circuit testing platform with inductive load was established in order to extract parameters and to verify the extraction method. The parameters extracted through the proposed method were applied in the simulated analyses of the IGCT circuit model. The correctness of the proposed method in this paper was verified through the better fittings of the simulation results and test results.

integrated gate commutated thyristor (IGCT); improved fourier series method; circuit model; parameter extraction

2016-11-28

國家自然科學(xué)基金(51607170)

王佳蕊(1988-)， 男， 吉林籍， 博士研究生， 研究方向?yàn)榇蠊β势骷锢斫７椒ǖ龋?孔 力(1958-)， 男， 湖北籍， 研究員， 博士， 研究方向?yàn)槲⑿碗娋W(wǎng)技術(shù)、 太陽能發(fā)電技術(shù)和電力電子技術(shù)等。

10.12067/ATEEE1611072

1003-3076(2017)07-0001-11

TM23