專利名稱：一種提高電能變換裝置功率密度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大容量電カ電子器件領(lǐng)域，具體涉及ー種提高電能變換裝置功率密度的方法，該方法是通過基于熱平衡分析的IGBT參數(shù)盡限使用實(shí)現(xiàn)
背景技術(shù)：
IGBT手冊(cè)通常給出了集電極-發(fā)射極最大電壓、集電極最大電流和最高工作結(jié)溫等邊界參數(shù)，在目前的使用設(shè)計(jì)中，一般是將這些邊界參數(shù)值作為最大工作邊界，并且還預(yù)留較大的裕量，進(jìn)行一定的降額使用，這種選用與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)未達(dá)到器件精確量化與優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。特種高性能電カ電子系統(tǒng)具有大容量、高功率密度和高可靠性的特點(diǎn)，如果仍采用這種設(shè)計(jì)方法，將導(dǎo)致需要串、并聯(lián)使用的器件數(shù)目過多，系統(tǒng)體積和重量龐大。事實(shí)上，手冊(cè)給出的這些參數(shù)值并不是IGBT的最大工作極限，它們有的是考慮到制造エ藝的不均勻性預(yù)留了一定余量，如最大電壓值，有的是ー種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如最大結(jié)溫，有的是按最大結(jié)溫、殼溫以及熱阻推算得到的限定值，如最大電流值。實(shí)際上IGBT參數(shù)使用極限的限制主要有兩方面，第一是這些參數(shù)存在ー個(gè)最高極限，如集電極-發(fā)射極雪崩擊穿電壓、IGBT(添加”IGBT”)芯片本征溫度與熔點(diǎn)，第二是在實(shí)際使用中可以達(dá)到的最大使用范圍，由IGBT總功耗和傳熱功耗之間的熱平衡關(guān)系，以及可以達(dá)到平衡的穩(wěn)定工作點(diǎn)決定，與外部散熱條件密切相關(guān)，并且各個(gè)參數(shù)之間相互影響。IGBT熱擊穿失效的本質(zhì)是IGBT內(nèi)部芯片產(chǎn)生的熱量與外部散熱裝置帶走的熱量間達(dá)不到熱平衡，熱量不能完全發(fā)散出去，在內(nèi)部形成熱累積，IGBT功耗與溫度間的正反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致結(jié)溫不斷上升，達(dá)到一定程度后由于漏電流的急劇增加引發(fā)溫度上升到本征溫度形成短路，最終發(fā)生失效。常規(guī)設(shè)計(jì)方法一般是根據(jù)手冊(cè)給定的最大結(jié)溫來設(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)，不能反映IGBT熱失效本質(zhì)，也不能做到電壓、電流、開關(guān)頻率和結(jié)溫等參數(shù)的盡限使用，是一種基于經(jīng)驗(yàn)的粗放式設(shè)計(jì)方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所帯來的不足，根據(jù)IGBT熱擊穿失效機(jī)理，本發(fā)明提出了ー種提高電能變換裝置功率密度的方法，該方法通過實(shí)現(xiàn)IGBT參數(shù)的盡限使用設(shè)計(jì)來突破傳統(tǒng)的IGBT安全區(qū)設(shè)計(jì)法則，使裝置的功率密度得到提高。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為ー種提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟(I)建立 IGBT 總功耗 P 模型為P = Pon+Poff+Psw ；其中，Pm為IGBT的導(dǎo)通功耗，Psw為IGBT的開關(guān)功耗，Poff為IGBT的斷態(tài)功耗；(2)計(jì)算工作溫度Tj時(shí)IGBT的內(nèi)部參數(shù)，以及半導(dǎo)體物理常數(shù)；根據(jù)得到的內(nèi)部參數(shù)和半導(dǎo)體物理常數(shù)得到IGBT總功耗與溫度ハ的關(guān)系，即IGBT總功耗的溫度曲線；工作溫度！^時(shí)IGBT的內(nèi)部參數(shù)，包括過剩載流子壽命T (ハ)、柵極門檻電壓Vth(Tj)、跨導(dǎo)も仏)和發(fā)射極電子飽和電流Isne (TJ ;材料的半導(dǎo)體物理常數(shù)，包括本征載流子濃度、載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)；(3)由結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻Rthjc得到在給定殼溫T。條件下的結(jié)-殼傳熱方程，從而得到結(jié)-殼傳熱功耗曲線；(4)在IGBT的電壓、電流、開關(guān)頻率和占空比四個(gè)參數(shù)中任意三個(gè)，根據(jù)其預(yù)先設(shè)定的值，對(duì)第四個(gè)參數(shù)進(jìn)行極限設(shè)計(jì)，得到第四個(gè)參數(shù)的盡限使用值；(5)將得到的第四個(gè)參數(shù)盡限使用值作為電能變換裝置中IGBT參數(shù)使用，以提高 電能變換裝置的功率密度。本發(fā)明方法根據(jù)IGBT熱擊穿失效機(jī)理，采用IGBT電熱耦合模型仿真得到IGBT總功耗的溫度曲線，聯(lián)立結(jié)-殼傳熱功耗曲線進(jìn)行熱平衡分析，當(dāng)兩條曲線發(fā)生相切吋，IGBT處于臨界熱平衡狀態(tài)，也就是熱不穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的切點(diǎn)為極限結(jié)溫點(diǎn)，由此進(jìn)行電流和開關(guān)頻率等參數(shù)的盡限使用設(shè)計(jì)。本發(fā)明所提出的IGBT參數(shù)盡限使用設(shè)計(jì)方法原理清晰，操作性強(qiáng)，減小了實(shí)際測(cè)試工作量，做到了參數(shù)盡限使用的精確量化，提高了裝置的功率密度。


圖I是PT或FS型IGBT元胞結(jié)構(gòu)；圖2是IGBT熱平衡分析示意圖；圖3是IGBT關(guān)鍵結(jié)溫點(diǎn)分析；圖4是IGBT開關(guān)頻率盡限使用熱平衡分析；圖5是不同殼溫和電流時(shí)的開關(guān)頻率盡限使用曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法通過IGBT參數(shù)盡限使用來提高電能變換裝置的功率密度，其難點(diǎn)和關(guān)鍵在于計(jì)算IGBT總功耗的溫度曲線，由于IGBT總功耗分為導(dǎo)通、開關(guān)和斷態(tài)功耗三部分，需要分別計(jì)算各個(gè)部分功耗的溫度曲線，因此采用測(cè)試的方法會(huì)増加工作量以及設(shè)計(jì)的繁雜程度。而采用IGBT電熱模型仿真可以方便得到導(dǎo)通功耗、開關(guān)功耗和斷態(tài)功耗的溫度曲線，從而得到IGBT總功耗的溫度曲線。這種基于IGBT電熱模型的仿真分析方法，可以對(duì)不同類型IGBT在任意設(shè)定條件下進(jìn)行熱平衡分析，實(shí)現(xiàn)器件參數(shù)的盡限使用，對(duì)于器件選型、電路分析以及散熱設(shè)計(jì)等都起到重要作用。IGBT熱擊穿是由內(nèi)部產(chǎn)生的功耗與外部散熱裝置所能帶走的功耗之間的熱平衡關(guān)系來決定的，其中IGBT總功耗由導(dǎo)通功耗、開關(guān)功耗和斷態(tài)功耗三部分組成。由于導(dǎo)通壓降和開關(guān)能量與溫度近似成正的線性關(guān)系増加，從而導(dǎo)通功耗和開關(guān)功耗也隨著溫度的上升而近似線性增加，而集電極漏電流在高溫階段隨溫度成指數(shù)特征上升，使得斷態(tài)功耗隨溫度發(fā)生很大的變化，且隨著溫度的繼續(xù)上升増加更為迅速。因此，IGBT總功耗表現(xiàn)為在低溫階段與溫度近似成線性關(guān)系上升，而在高溫階段與溫度成指數(shù)特征上升，與溫度之間是ー種正反饋的關(guān)系。從IGBT元胞結(jié)構(gòu)附圖I中可以看出，IGBT集電極-發(fā)射極加正向電壓吋，內(nèi)部P+發(fā)射/N-結(jié)(J1結(jié))和P+集電/N-結(jié)(J3結(jié))均為正偏，只有N-/P+集電結(jié)(J2結(jié))為反偏。根據(jù)半導(dǎo)體物理中PN結(jié)擊穿理論，反偏PN結(jié)上的漏電流增大到ー定程度時(shí)將發(fā)生熱擊穿，由于集電極漏電流在IGBT熱擊穿中起關(guān)鍵作用，下面著重對(duì)其進(jìn)行分析。IGBT集電極漏電流可以用ム結(jié)的反向電流來表示，考慮外加阻斷電壓和溫度的影響，IGBT集電極漏電流Il6ak由產(chǎn)生電流和擴(kuò)散電流兩部分組成，在室溫附近產(chǎn)生電流起主導(dǎo)作用，而在高溫區(qū)擴(kuò)散電流起主導(dǎo)作用，可表示為
權(quán)利要求
1.ー種提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，該方法包括下述步驟 (1)建立IGBT總功耗P模型為P= Pon+Poff+Psw ； 其中，Pm為IGBT的導(dǎo)通功耗，Psw為IGBT的開關(guān)功耗，Poff為IGBT的斷態(tài)功耗； (2)計(jì)算工作溫度Tj時(shí)IGBT的內(nèi)部參數(shù)，以及半導(dǎo)體物理常數(shù)；根據(jù)得到的內(nèi)部參數(shù)和半導(dǎo)體物理常數(shù)得到IGBT總功耗與溫度ハ的關(guān)系，即IGBT總功耗的溫度曲線； 工作溫度Tj時(shí)IGBT的內(nèi)部參數(shù)，包括過剩載流子壽命T (Tj)、柵極門檻電壓Vth(Tp、跨^Kp(Tj)和發(fā)射極電子飽和電流IsmCTP ;材料的半導(dǎo)體物理常數(shù)，包括本征載流子濃度、載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)； (3)由結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻Rtwe得到在給定殼溫T。條件下的結(jié)-殼傳熱方程，從而得到結(jié)-殼傳熱功耗曲線； (4)在IGBT的電壓、電流、開關(guān)頻率和占空比四個(gè)參數(shù)中任意三個(gè)，根據(jù)其預(yù)先設(shè)定的值，對(duì)第四個(gè)參數(shù)進(jìn)行極限設(shè)計(jì)，得到結(jié)溫的極限工作點(diǎn)； (5)將得到的第四個(gè)參數(shù)盡限使用值作為電能變換裝置中IGBT參數(shù)使用，以提高電能變換裝置的功率密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，步驟(4)具體包括下述過程 (4. I)首先對(duì)第四個(gè)參數(shù)給定ー個(gè)初始賦值； (4. 2)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的三個(gè)參數(shù)的值以及第四個(gè)參數(shù)的賦值，仿真得到IGBT總功耗的溫度曲線； (4. 3)聯(lián)立IGBT總功耗的溫度曲線和結(jié)-殼傳熱功耗曲線進(jìn)行熱平衡分析，若兩條曲線相交于兩點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟(4.4);若兩條曲線相切，轉(zhuǎn)入步驟(4.5);若兩條曲線沒有交點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟(4. 6)； (4. 4)分別對(duì)應(yīng)于結(jié)溫的熱穩(wěn)定解和非穩(wěn)定解，表明結(jié)溫還可以提高，即增大第四個(gè)參數(shù)的賦值，轉(zhuǎn)入步驟(4.2)； (4. 5)則為臨界熱平衡狀態(tài)，即達(dá)到熱平衡的最高結(jié)溫，此時(shí)IGBT總功耗和參數(shù)值都不能再増大，IGBT實(shí)現(xiàn)了盡限使用，轉(zhuǎn)入步驟(5)； (4.6)為熱非平衡狀態(tài)，減小第四個(gè)參數(shù)的賦值，轉(zhuǎn)入步驟(4. 2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，在步驟(I)中， 其中，I為IGBT導(dǎo)通電流，D為IGBT工作時(shí)的占空比，其取值范圍為(0，I]； Vch為IGBT內(nèi)部MOSFET溝道壓降，表示為Kp為IGBT內(nèi)部MOSFET跨導(dǎo)；Vgs為IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓；Vth為IGBT柵極門檻電壓；Inros為IGBT內(nèi)部溝道電流，表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，在步驟(I)中， 其中， Psw = (Eon+Eoff) X f f為IGBT的開關(guān)頻率，Eon為IGBT單次開通能量出。 為IGBT單次關(guān)斷能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在于，在步驟(I)中，Poff = IleakXVX(I-D) 其中，D為IGBT工作時(shí)的占空比，其取值范圍為(0，1]，V為IGBT集-射極電壓；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高電能變換裝置功率密度的方法，其特征在干， 對(duì)于非穿通型IGBT，過?？昭舛萈tl為P+發(fā)射極/N-結(jié)處的過剩空穴濃度，表示為
全文摘要
一種提高電能變換裝置功率密度的方法。本發(fā)明公開了一種基于熱平衡分析的IGBT參數(shù)盡限使用設(shè)計(jì)方法，根據(jù)IGBT熱擊穿失效機(jī)理，采用建立的IGBT電熱模型仿真得到在給定參數(shù)條件下的導(dǎo)通功耗、開關(guān)功耗和斷態(tài)功耗的溫度曲線，相加得到IGBT總功耗的溫度曲線，由結(jié)-殼穩(wěn)態(tài)熱阻得到傳熱功耗曲線，聯(lián)立IGBT總功耗曲線和傳熱功耗曲線進(jìn)行熱平衡分析，兩條曲線相切時(shí)的結(jié)溫為IGBT極限結(jié)溫，對(duì)應(yīng)的參數(shù)值即為此電路條件下的盡限使用值。本發(fā)明所提出的IGBT參數(shù)盡限使用設(shè)計(jì)方法原理清晰，操作性強(qiáng)，減小了實(shí)際測(cè)試工作量，做到了參數(shù)盡限使用的精確量化，提高了裝置的功率密度。
文檔編號(hào)H01L21/331GK102623335SQ20121009028
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者劉賓禮, 唐勇, 孫馳, 汪波, 羅毅飛, 肖飛, 胡安, 陳明 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)