劉春光

（深圳市鑫匯科股份有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

IGBT，即絕緣柵雙極型晶體管，其屬于柔性直流輸電裝置中一個(gè)不可缺少的模塊。其內(nèi)部芯片數(shù)量會(huì)在不同的電流等級(jí)下有所不同，電流等級(jí)越高，則芯片數(shù)量越多，而在高等級(jí)電流下，會(huì)出現(xiàn)各芯片支路不均流問(wèn)題。如果發(fā)生這一情況，會(huì)有一些芯片的工作電流處于額定電流之下，會(huì)在一定程度上降低芯片的使用頻率。而一些芯片會(huì)存在較大的工作電流，超出了安全工作范圍值，大大減少了芯片使用時(shí)間，嚴(yán)重情況下會(huì)加快芯片的損壞速度。在芯片均流研究上，主要是對(duì)兩方面內(nèi)容進(jìn)行研究，一種為瞬間態(tài)均流，另一種為穩(wěn)態(tài)均流，現(xiàn)階段，在影響穩(wěn)態(tài)均流因素的研究上已經(jīng)存在較為豐富的研究成果，因此，本文對(duì)瞬態(tài)均流進(jìn)行研究。當(dāng)前，在瞬態(tài)均流的研究上，大多是對(duì)封裝寄生參數(shù)、驅(qū)動(dòng)控制以及母排寄生參數(shù)等方面進(jìn)行討論，但很少有人把目光投在芯片參數(shù)這一領(lǐng)域中。J.C.Joyce在數(shù)值及電路仿真的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探究了絕緣柵雙極型晶體管模塊關(guān)斷過(guò)程電流分布所受柵極電阻的影響程度，得到這一結(jié)果：芯片參數(shù)一致性，會(huì)對(duì)模塊開(kāi)通瞬態(tài)均流產(chǎn)生較大的影響。并且在同年，以上人員研究出了芯片參數(shù)不同的情況下，對(duì)瞬態(tài)均流影響也會(huì)有所不同的結(jié)果。所以，研究芯片參數(shù)會(huì)對(duì)瞬態(tài)均流產(chǎn)生怎樣的影響意義重大。

1 IGBT芯片電路模型

■1.1 IGBT芯片模型

將IGBT模型分成兩大類，一類是數(shù)學(xué)模型，另一類是行為模型。這兩類模型中，前者是基于半導(dǎo)體的物理方程，一般應(yīng)用在芯片的生產(chǎn)研發(fā)步驟，具備較高的求解精度，不過(guò)對(duì)模型相應(yīng)物理參數(shù)進(jìn)行提取時(shí)，會(huì)存在較大的困難，因?yàn)樘崛∵^(guò)程中涉及到的計(jì)算工作較多。而后者行為模型主要看重芯片的端口外特性及模塊，一般用于分析芯片電路，數(shù)據(jù)大部分都記錄在廠商的出廠數(shù)據(jù)手冊(cè)中，其余需要的數(shù)據(jù)也可通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，該模型具備較快的計(jì)算速度，同時(shí)也存在較好的通用性。

為避免結(jié)果出現(xiàn)偏差，需減少其他不必要因素的影響，則選用IXGH32N170型的IGBT芯片，根據(jù)出廠手冊(cè)中的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行相應(yīng)IGBT芯片模型的建立。如圖1所示，其表示的是通過(guò)IGBT芯片模型進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)得出的模型曲線與數(shù)據(jù)手冊(cè)中曲線的區(qū)別。Vge表示柵極－發(fā)射極電壓，Isat表示芯片的退飽和區(qū)電流，Ic表示集電極電流，Vcesat表示芯片的飽和區(qū)集電極－發(fā)射極電壓。對(duì)比數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出，該芯片模型在飽和區(qū)內(nèi)Vcesat的相對(duì)誤差并未超過(guò)4%，Isat的相對(duì)誤差在6%之下，兩者具備較好的一致性。

圖1 對(duì)比結(jié)果

■1.2 雙脈沖等效電路模型

測(cè)試IGBT開(kāi)關(guān)特性中，較為常用到的一種方法就是雙脈沖測(cè)試，這一測(cè)試方法將二極管鉗位電感作為負(fù)載，第一個(gè)脈沖主要的目的是提供測(cè)量所需電流，完成第一個(gè)脈沖后，對(duì)IGBT關(guān)斷瞬態(tài)特性進(jìn)行測(cè)量，由于會(huì)存在較大的負(fù)載電感值，因此在關(guān)斷的短暫時(shí)間內(nèi)，認(rèn)為通過(guò)集電極的電流并未發(fā)生變化，第二個(gè)脈沖開(kāi)始時(shí)，對(duì)IGBT開(kāi)通瞬態(tài)特性進(jìn)行測(cè)量。如圖2所示為雙脈沖等效電路模型，在該模型中，主支路參數(shù)主要包括R0寄生電阻、L0寄生電感、Lload負(fù)載電感以及CDC放電電容；驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)主要包括RG寄生電阻、LG寄生電感；支路參數(shù)主要包括Le發(fā)射極寄生電感、Lg柵極寄生電感以及Lc集電極寄生電感。g、c、e代表芯片連接端子，G、C、E代表模塊連接端子，除此之外，驅(qū)動(dòng)信號(hào)Up幅值范圍在－15～15V，而脈寬為70μs，空比為4/7，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得出電路中的無(wú)源文件參數(shù)?；谛酒Ｐ团c雙脈沖測(cè)試等效電路模型下，確保后期研究的良好開(kāi)展。

圖2 雙脈沖等效電路模型

2 定量分析指標(biāo)

實(shí)際研究過(guò)程中，為更好的分析芯片參數(shù)變化時(shí)，瞬態(tài)電流分布的變化情況，應(yīng)進(jìn)行瞬態(tài)均流與芯片參數(shù)分散性評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立，并且保證指標(biāo)的準(zhǔn)確性及科學(xué)性。

■2.1 芯片參數(shù)分散性指標(biāo)

確定芯片分散性指標(biāo)時(shí)，需要以統(tǒng)計(jì)學(xué)概念為主要依據(jù)，會(huì)涉及到方差、極差以及變異系數(shù)等方面的知識(shí)，這種指標(biāo)會(huì)有效顯示出芯片整體的分散性，不過(guò)，并不具備分析單一芯片參數(shù)影響的功能，同時(shí)樣本質(zhì)量及數(shù)量會(huì)在一定程度上影響結(jié)果的可信度。數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)于參數(shù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的表述通常會(huì)通過(guò)最小值、最大值以及典型值的方式，典型值表示的就是期望值。本文對(duì)芯片參數(shù)變化率做出了定義，使芯片典型值與實(shí)測(cè)值建立了較好的關(guān)聯(lián)性，以便于芯片設(shè)計(jì)及篩選工作的良好開(kāi)展。

穩(wěn)態(tài)均流主要會(huì)受到IGBT芯片參數(shù)中飽和壓降的影響，同時(shí)，作為關(guān)斷的初始狀態(tài)，會(huì)對(duì)關(guān)斷瞬態(tài)均流產(chǎn)生相應(yīng)的影響。為使分析更為簡(jiǎn)化，這種影響本文不做考慮，默認(rèn)為芯片存在一致的飽和壓降。對(duì)IGBT6個(gè)芯片參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，參數(shù)變化率公式：

其中，Vth表示的是閾值電壓；Rg表示的是柵極電阻；gfs表示的是跨導(dǎo)；Cge表示的是柵極－發(fā)射極電容；Cce表示的是集電極－發(fā)射極電容；Cgc表示的是柵極－集電極電容，而Vth0、gfs0、Cce0、Rg0、Cge0以及Cgc0，則表示芯片參數(shù)的典型值，本文典型值選擇數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參數(shù)值。在集電極－發(fā)射極電壓以及柵極電壓發(fā)生改變的情況下，跨導(dǎo)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，本文將數(shù)據(jù)手冊(cè)作為主要的參考依據(jù)，選擇出相應(yīng)跨導(dǎo)值。

■2.2 瞬態(tài)均流指標(biāo)

均流指標(biāo)具體包括兩個(gè)類型，一種為統(tǒng)計(jì)型指標(biāo)，另一種為電流型指標(biāo)，前者中具體涵蓋差異系數(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)差等，通過(guò)統(tǒng)計(jì)型指標(biāo)開(kāi)展定量分析工作時(shí)，通常要測(cè)量大量的樣本，往往存在較大的工作量。所以，本文與現(xiàn)有指標(biāo)相結(jié)合，確定出ξ，即瞬態(tài)均流評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)芯片參數(shù)作用機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)改指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際的計(jì)算結(jié)果會(huì)將不同芯片支路電流差異與電流間的聯(lián)系很好的顯示出來(lái)，而結(jié)果的正負(fù)性則能體現(xiàn)出各芯片支路電流大小情況，公式(7)為具體的表達(dá)式：

公式（7）中，Ichip表示的是芯片電流值；Iav表示的是芯片電流平均值，即開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流處于峰值時(shí)刻的電流值。

3 芯片單一參數(shù)對(duì)瞬態(tài)均流的影響分析

對(duì)芯片參數(shù)值做出改變，同時(shí)進(jìn)行擬合處理，最終得出芯片模型，存在一定的參數(shù)分散性。為有效分析各參數(shù)對(duì)多芯片瞬態(tài)均流產(chǎn)生的不同影響，需要細(xì)致分析基于相同變化率條件下，各芯片參數(shù)的瞬態(tài)電流分布情況，同時(shí)做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：首先，芯片各參數(shù)會(huì)在－50%～50%范圍內(nèi)加以變化；其次，開(kāi)關(guān)瞬態(tài)環(huán)節(jié)，只對(duì)芯片參數(shù)進(jìn)行改變，其他芯片則保持不變。通過(guò)以上假設(shè)下，計(jì)算獲得芯片支路瞬態(tài)電流，對(duì)瞬態(tài)均流所受各芯片參數(shù)影響情況加以分析。

■3.1 閾值電壓

此部分內(nèi)容中，只對(duì)閾值電壓(Vth1)加以改變，著重探討其對(duì)瞬態(tài)均流產(chǎn)生的影響。如圖3所示，閾值電壓變化范圍處于±10%時(shí)，瞬態(tài)電流的波形情況，芯片IGBT1的電流為Ic1，芯片IGBT2的電流為Ic2，t代表時(shí)間。

圖3 閾值電壓發(fā)生改變時(shí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

開(kāi)通瞬態(tài)過(guò)程中，當(dāng)Vth大于Vge時(shí)，芯片所處的狀態(tài)是截止?fàn)顟B(tài)。Cge持續(xù)充電過(guò)程中，Vge會(huì)不斷增大，當(dāng)其超過(guò)Vth時(shí)，因?yàn)閂ce較大，芯片處于退飽和狀態(tài)，Vge的增大下，Ic逐漸上升，Vce則因?yàn)槎O管鉗位沒(méi)有發(fā)生變化。從而可以看出，Vth越大則流過(guò)芯片的電流會(huì)越小。對(duì)于關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中[2]，芯片電流主要可以分為不同的過(guò)程，例如電流下降、存儲(chǔ)以及拖尾過(guò)程。芯片中若不存在均衡的跨導(dǎo)與閾值電壓，則會(huì)出現(xiàn)電流分配不均衡情況。

■3.2 柵極電阻

開(kāi)關(guān)瞬態(tài)環(huán)節(jié)的柵極電壓波形，會(huì)直接受到芯片柵極電阻大小的影響，只是對(duì)芯片柵極電阻(Rg1)加以改變，詳細(xì)探討其對(duì)瞬態(tài)均流產(chǎn)生的影響，當(dāng)其變化范圍在±10%時(shí)，具體瞬態(tài)電流波形情況詳見(jiàn)圖4，對(duì)圖4進(jìn)行詳細(xì)分析得出，與瞬態(tài)開(kāi)通環(huán)節(jié)相比，IGBT芯片柵極電阻對(duì)瞬態(tài)關(guān)斷的影響較大。柵極電阻越大的IGBT芯片將承受較小的開(kāi)通電流與較大的關(guān)斷電流。

圖4 柵極電阻發(fā)生改變時(shí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

芯片開(kāi)通瞬態(tài)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電源會(huì)對(duì)芯片進(jìn)行電容充電，此時(shí)柵極電壓會(huì)快速上升，當(dāng)期到達(dá)閾值電壓后，柵極電壓上升情況下，集電極電流也逐漸增大，存在于續(xù)流二極管中的電流全部進(jìn)入到芯片后，二極管會(huì)進(jìn)行反向恢復(fù)，造成芯片電流尖峰。這一環(huán)節(jié)，芯片電壓會(huì)快速下降，同時(shí)會(huì)將驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行抽取，τ為時(shí)間常數(shù)，公式如下。

如公式（8）所示，RGΣ表示的是柵極串聯(lián)電阻，具體由柵極外部寄生電阻與柵極電阻相加得出；CGE與CGC表示測(cè)量模塊外部端口從而得到的電容值，例如芯片極間電容以及封裝寄生電容。從公式（8）中能夠得出，柵極電壓充電時(shí)間會(huì)直接受到柵極電阻的影響，并且也會(huì)在一定程度上影響著電流的上升速度與開(kāi)通時(shí)間。

芯片關(guān)斷瞬態(tài)環(huán)節(jié)，較小柵極電阻芯片其會(huì)存在較快的柵極電壓下降速度，具體而言，首先消失的是反型層，隨后MOS溝道會(huì)被夾斷，因此導(dǎo)致電流快速下降。

■3.3 跨導(dǎo)

對(duì)于芯片開(kāi)通瞬態(tài)環(huán)節(jié)而言，芯片的狀態(tài)往往是退飽和形式，所謂的跨導(dǎo)，其實(shí)質(zhì)上表示的是轉(zhuǎn)移特性曲線的動(dòng)態(tài)斜率，轉(zhuǎn)移特性曲線的起點(diǎn)則是閾值電壓。轉(zhuǎn)移特性曲線情況如圖5所示，可以看出同一批次芯片轉(zhuǎn)移曲線存在交叉現(xiàn)象，具體而言，除了閾值電壓外，芯片載流子遷移率及物理結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)跨導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)影響。

圖5 實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)移特性曲線

從圖5中可以看出，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要是跨導(dǎo)受其他參數(shù)影響超過(guò)了閾值電壓，所以可以得出這樣的結(jié)論：跨導(dǎo)與閾值電壓較為獨(dú)立[3]，并無(wú)較大聯(lián)系。本文利用數(shù)據(jù)手冊(cè)，將某一靜態(tài)工作點(diǎn)處曲線斜率當(dāng)作跨導(dǎo)值。只將跨導(dǎo)值做出改變，重點(diǎn)探究跨導(dǎo)值對(duì)瞬態(tài)均流產(chǎn)生的影響。當(dāng)跨導(dǎo)值變化范圍處于±10%時(shí)，得出圖6中表示的瞬態(tài)電流波形情況。基于圖6中可以看出，芯片跨導(dǎo)值越大，其所能承受的電流則越大。除此之外，跨導(dǎo)對(duì)關(guān)斷瞬態(tài)主要影響階段，對(duì)于芯片穩(wěn)態(tài)均流并不具備較大的影響。

圖6 跨導(dǎo)發(fā)生改變是開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

從圖6中可以看出，芯片跨導(dǎo)越大，則其能夠承受越大的關(guān)斷及開(kāi)通瞬態(tài)電流。

■3.4 極間電容Cge、Cgc以及Cce

同柵極電阻存在較為相似的作用，開(kāi)關(guān)瞬態(tài)Vge的波形會(huì)在一定程度上收到Cgc與Cge的影響，這種情況下會(huì)相應(yīng)的影響到瞬態(tài)電流分布特性。通過(guò)公式（8）能夠得出，芯片Cgc與Cge逐漸增大的情況下，充放電的時(shí)間變長(zhǎng)，電壓也變化緩慢，開(kāi)通瞬態(tài)電流變小，關(guān)斷瞬態(tài)電流增大[4]。因?yàn)镃ce不存在較大的容值，瞬態(tài)環(huán)節(jié)位移電流也會(huì)較小。對(duì)Cge1、Cce1以及Cgc1做出改變，從而詳細(xì)分析其對(duì)瞬態(tài)均流所產(chǎn)生的影響情況，當(dāng)其變化率處于±10%范圍內(nèi)時(shí)，得出圖7至圖9瞬態(tài)電流波形情況。

圖7 Cge1發(fā)生改變時(shí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

由圖7至圖9中可以看出，瞬態(tài)均流受芯片極間電容影響低于2%，因此可忽略不計(jì)。

圖8 Cgc1發(fā)生改變時(shí)開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

圖9 Cce1發(fā)生改變時(shí)的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電流波形情況

4 影響規(guī)律

對(duì)瞬態(tài)均流受各芯片參數(shù)的影響進(jìn)行分析，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)做出計(jì)算，同時(shí)總結(jié)實(shí)際的影響規(guī)律，最終結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 影響規(guī)律

從表1中能夠看出，Vth這一參數(shù)對(duì)瞬態(tài)均流產(chǎn)生的影響最大，Cce的影響最小，同其他參數(shù)相比，Vth會(huì)在很大程度上影響瞬態(tài)均流的平均靈敏性，研究結(jié)果表明閾值電壓、跨導(dǎo)和柵極電阻是對(duì)瞬態(tài)均流影響最大的3個(gè)芯片參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文建立了芯片仿真模型，分析開(kāi)通瞬態(tài)與關(guān)斷瞬態(tài)均流同芯片參數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)芯片參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，開(kāi)通與關(guān)斷瞬態(tài)均流會(huì)發(fā)生怎樣的變化，制定出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后對(duì)實(shí)際影響做出具體評(píng)價(jià)。在6個(gè)參數(shù)中對(duì)開(kāi)通瞬態(tài)均流產(chǎn)生最大影響的是Vth，產(chǎn)生最小影響的是Cce，其余從小到大排列為Cgc、Cge、Rg、以及gfs；對(duì)關(guān)斷瞬態(tài)均流產(chǎn)生最大影響的是Vth，產(chǎn)生最小影響的是Cce，其余從小到達(dá)排列為Cge、Cgc、Rg以及gfs。篩選IGBT芯片時(shí)[5]，應(yīng)對(duì)芯片Rg、gfs以及Vth分散性情況加以重視。在瞬態(tài)均流的研究及芯片篩選時(shí)需要關(guān)注Vth與gfs的共同影響。進(jìn)行瞬態(tài)均流仿真時(shí)，需著重注意不同參數(shù)對(duì)瞬態(tài)均流造成的影響。