陽(yáng)璞瓊 單長(zhǎng)虹 張 瑩 陳文光

南華大學(xué) 湖南衡陽(yáng) 421001

電力電子技術(shù)是一門(mén)高科技專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程。經(jīng)過(guò)近二三十年的飛速發(fā)展，電力電子裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，將深化對(duì)傳統(tǒng)電力工業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的節(jié)能降耗改造，電力電子技術(shù)必將起到更加重要的作用。

以開(kāi)關(guān)方式工作的電力半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，器件的更新?lián)Q代決定了電力電子電路水平，從而決定電力電子裝置性能；新器件和新控制方法不斷出現(xiàn)，促進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。所以，在教學(xué)時(shí)應(yīng)根據(jù)電力電子技術(shù)的最新前沿發(fā)展，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行組織和篩選，加強(qiáng)電力半導(dǎo)體器件知識(shí)、基本電路分析方法以及實(shí)用電路等的學(xué)習(xí)，做到理論與實(shí)際密切結(jié)合。

1 IGBT的物理結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 物理結(jié)構(gòu)

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，是由雙極型三極管(BJT)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管(MOS)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和電力晶體管(GTR)的低導(dǎo)通壓降兩方面優(yōu)點(diǎn)[1]。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。它作為一種新型電力電子器件，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為最重要的器件之一。

IGBT的元胞結(jié)構(gòu)[2]與VDMOS相類(lèi)似，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道VDMOS的N+基板(即VDMOS的漏極)上增加了一個(gè)P+基板作為IGBT的集電極，形成PN結(jié)J1，由此引出的柵極和源極則與VDMOS完全相同(如圖1所示)。P+區(qū)又稱(chēng)為漏注入?yún)^(qū)(Drain injector)，它是IGBT特有的功能區(qū)，起集電極的作用，向N+區(qū)注入空穴，進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，以降低器件的通態(tài)壓降。使得高耐壓的IGBT同時(shí)也擁有較低的通態(tài)壓降，具有很強(qiáng)的通流能力；斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

圖1 IGBT元胞結(jié)構(gòu)剖面圖

襯底到發(fā)射極構(gòu)成一個(gè)PNP型晶體管，其基極到發(fā)射極由NMOS管控制。如果在柵極加上開(kāi)啟電壓，形成N導(dǎo)電溝道，就可向PNP晶體管提供基極電流，PNP管發(fā)射極P+區(qū)按比例向N-區(qū)注入空穴，形成IGBT的集電極電流。IGBT可以等效為NMOS與PNP晶體管構(gòu)成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)[3]。另外，該結(jié)構(gòu)里還寄生著一個(gè)NPN型晶體管，即以N+區(qū)為發(fā)射極，P井區(qū)為基極，N漂移區(qū)為集電極。位于發(fā)射極之下的P井區(qū)的電阻被稱(chēng)為P井區(qū)橫向電阻Rs，Rs的存在是引發(fā)擎住效應(yīng)最重要的原因。這個(gè)寄生的NPN型晶體管與前面的PNP型晶體管一起構(gòu)成了一個(gè)晶閘管結(jié)構(gòu)(如圖2所示)。

圖2 含寄生晶閘管的IGBT等效電路

1.2 工作原理

1.2.1 反向阻斷

當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓，PN結(jié)J1(內(nèi)部PNP管的發(fā)射結(jié))反偏，耗盡層向N-區(qū)擴(kuò)展，此時(shí)，IGBT處于反向阻斷工作模式，并且具有較高的耐壓能力。

1.2.2 關(guān)斷/正向阻斷

當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)，IGBT處于關(guān)斷模式。如果此時(shí)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓，PN結(jié)J2反偏。此時(shí)，IGBT處于正向阻斷工作模式，仍然是由N-漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

1.2.3 導(dǎo)通

當(dāng)集電極施加正向電壓，且柵壓高于門(mén)限值時(shí)，IGBT柵極下方的P井區(qū)形成一個(gè)N型導(dǎo)電溝道，將N-漂移區(qū)與IGBT的發(fā)射極下方的N+區(qū)連起來(lái)。大量的電子通過(guò)導(dǎo)電溝道從發(fā)射極注入N-漂移區(qū)，成為內(nèi)部PNP型晶體管的基極電流，同時(shí)也會(huì)降低N-漂移區(qū)的電位，由于J1結(jié)正偏，大量的空穴由P+注入?yún)^(qū)漂移到N-漂移區(qū)。注入N-漂移區(qū)的空穴通過(guò)漂移和擴(kuò)散兩種方式通過(guò)漂移區(qū)，最后到達(dá)P井區(qū)。當(dāng)空穴進(jìn)入P井區(qū)以后，吸引了大量來(lái)自發(fā)射極接觸的金屬的電子，這些電子注入P井區(qū)，并迅速與空穴復(fù)合，形成器件的導(dǎo)通電流，IGBT處于正向?qū)顟B(tài)。

2 擎住效應(yīng)

如圖2所示，NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在著P井區(qū)橫向電阻Rs，P型體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓。在額定集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)偏壓很小，不足以使J3開(kāi)通，然而一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件功耗過(guò)高而損壞。這種電流失控的現(xiàn)象，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后，即使撤銷(xiāo)觸發(fā)信號(hào)晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過(guò)程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，因此被稱(chēng)為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)[4]。

引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大(靜態(tài)擎住效應(yīng))，也可能是duce/dt過(guò)大(動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng))，溫度升高也會(huì)加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。

擎住效應(yīng)的產(chǎn)生必須具備以下兩個(gè)條件：

(1)觸發(fā)電流IG在P井區(qū)橫向電阻Rs上產(chǎn)生的壓降大于NPN管的發(fā)射結(jié)正向?qū)▔航?，即：IGRS≥Vbe(NPN)(Vbe(NPN)為NPN管的發(fā)射結(jié)正向?qū)妷?。

(2)兩個(gè)晶體管NPN和PNP的共基極電流增益之和必須大于1，在外部觸發(fā)電流IG消失后，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而自持導(dǎo)通，即：αNPN+αPNP≥1。

當(dāng)溫度升高時(shí)，晶體管的電流放大系數(shù)增大，將加重IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。

3 PSpice仿真建模

PSpice能夠把仿真與電路原理的設(shè)計(jì)緊密地結(jié)合在一起，廣泛應(yīng)用于各種電路分析，可以滿(mǎn)足電力電子電路動(dòng)態(tài)仿真的要求[5,6]。其元件模型的特性與實(shí)際元件的特性十分相似，因而它的仿真波形與實(shí)驗(yàn)電路的測(cè)試結(jié)果相近，對(duì)電路設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

依據(jù)上述分析，建立如圖3所示的IGBT擎住效應(yīng)的基于PSpice10.5的仿真電路模型[5]。其中，N-漂移區(qū)的電阻(PNP晶體管的基極電阻)Rd取典型值0.02 Ω；P井區(qū)橫向電阻(寄生NPN雙極型晶體管的基極—發(fā)射極之間的電阻)Rs典型值為幾毫歐姆，由于受仿真軟件的限制取值為0.015 Ω；MOSFET管的柵極控制電壓Vpluse為5 V，500 Hz的方波電壓。

圖3 基于PSpice的IGBT擎住效應(yīng)的仿真電路圖

負(fù)載電阻R取值為10 Ω時(shí)，利用PSpice的Time Domain瞬態(tài)分析參數(shù)仿真，得到如圖4所示的仿真波形。此時(shí)，電流I嚴(yán)格地受到柵極電壓V的控制：柵極電壓為高電平時(shí)，電流約為21 A；柵極電壓為低電平時(shí)，電流為0，二者皆為標(biāo)準(zhǔn)的方波。

圖4 負(fù)載電阻R取值為10 Ω的仿真波形

負(fù)載電阻R取值為1 Ω時(shí)的Time Domain瞬態(tài)分析參數(shù)仿真波形如圖5所示。此時(shí)的集電極電流已經(jīng)超過(guò)了允許值，等效的IGBT電路發(fā)生了擎住效應(yīng)，集電極電流I已經(jīng)不受柵極電壓控制，只是隨柵極電壓有小幅的波動(dòng)。

圖5 負(fù)載電阻R取值為1 Ω的仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入電力電子技術(shù)的教學(xué)中，具有經(jīng)濟(jì)、安全、快捷等優(yōu)點(diǎn)，有助于學(xué)生從直觀、實(shí)踐等方面更好地掌握相關(guān)的知識(shí)，收到事半功倍的效果。教學(xué)實(shí)踐表明，PSpice軟件效果很好，而且使用方便、精確度高、功能全面，是優(yōu)秀的電力電子仿真軟件之一，也是國(guó)際國(guó)內(nèi)高校教學(xué)中廣泛使用的電路仿真軟件。

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