基于PSpice的IGBT擎住效应的仿真教学分析

阳璞琼 单长虹 张 莹 陈文光

南华大学 湖南衡阳 421001

电力电子技术是一门高科技专业技术基础课程。经过近二三十年的飞速发展，电力电子装置已经广泛应用于国民经济的各个领域。随着我国经济的发展和科技的进步，将深化对传统电力工业和传统产业的节能降耗改造，电力电子技术必将起到更加重要的作用。

以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础，器件的更新换代决定了电力电子电路水平，从而决定电力电子装置性能；新器件和新控制方法不断出现，促进了电力电子技术的发展。所以，在教学时应根据电力电子技术的最新前沿发展，对教学内容进行组织和筛选，加强电力半导体器件知识、基本电路分析方法以及实用电路等的学习，做到理论与实际密切结合。

1 IGBT的物理结构与工作原理

1.1 物理结构

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管(GTR)的低导通压降两方面优点[1]。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。它作为一种新型电力电子器件，在国民经济领域的应用越来越广泛，已经成为最重要的器件之一。

IGBT的元胞结构[2]与VDMOS相类似，其不同点在于IGBT是在N沟道VDMOS的N+基板(即VDMOS的漏极)上增加了一个P+基板作为IGBT的集电极，形成PN结J1，由此引出的栅极和源极则与VDMOS完全相同(如图1所示)。P+区又称为漏注入区(Drain injector)，它是IGBT特有的功能区，起集电极的作用，向N+区注入空穴，进行电导调制，以降低器件的通态压降。使得高耐压的IGBT同时也拥有较低的通态压降，具有很强的通流能力；断态时，只有很小的泄漏电流存在。

图1 IGBT元胞结构剖面图

衬底到发射极构成一个PNP型晶体管，其基极到发射极由NMOS管控制。如果在栅极加上开启电压，形成N导电沟道，就可向PNP晶体管提供基极电流，PNP管发射极P+区按比例向N-区注入空穴，形成IGBT的集电极电流。IGBT可以等效为NMOS与PNP晶体管构成的达林顿结构[3]。另外，该结构里还寄生着一个NPN型晶体管，即以N+区为发射极，P井区为基极，N漂移区为集电极。位于发射极之下的P井区的电阻被称为P井区横向电阻Rs，Rs的存在是引发擎住效应最重要的原因。这个寄生的NPN型晶体管与前面的PNP型晶体管一起构成了一个晶闸管结构(如图2所示)。

图2 含寄生晶闸管的IGBT等效电路

1.2 工作原理

1.2.1 反向阻断

当集电极被施加一个反向电压，PN结J1(内部PNP管的发射结)反偏，耗尽层向N-区扩展，此时，IGBT处于反向阻断工作模式，并且具有较高的耐压能力。

1.2.2 关断/正向阻断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内，IGBT处于关断模式。如果此时栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压，PN结J2反偏。此时，IGBT处于正向阻断工作模式，仍然是由N-漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

1.2.3 导通

当集电极施加正向电压，且栅压高于门限值时，IGBT栅极下方的P井区形成一个N型导电沟道，将N-漂移区与IGBT的发射极下方的N+区连起来。大量的电子通过导电沟道从发射极注入N-漂移区，成为内部PNP型晶体管的基极电流，同时也会降低N-漂移区的电位，由于J1结正偏，大量的空穴由P+注入区漂移到N-漂移区。注入N-漂移区的空穴通过漂移和扩散两种方式通过漂移区，最后到达P井区。当空穴进入P井区以后，吸引了大量来自发射极接触的金属的电子，这些电子注入P井区，并迅速与空穴复合，形成器件的导通电流，IGBT处于正向导通状态。

2 擎住效应

如图2所示，NPN晶体管的基极与发射极之间存在着P井区横向电阻Rs，P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压。在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，就像普通晶闸管被触发以后，即使撤销触发信号晶闸管仍然因进入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应或自锁效应[4]。

引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大(静态擎住效应)，也可能是duce/dt过大(动态擎住效应)，温度升高也会加重发生擎住效应的危险。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。

擎住效应的产生必须具备以下两个条件：

(1)触发电流IG在P井区横向电阻Rs上产生的压降大于NPN管的发射结正向导通压降，即：IGRS≥Vbe(NPN)(Vbe(NPN)为NPN管的发射结正向导通电压)。

(2)两个晶体管NPN和PNP的共基极电流增益之和必须大于1，在外部触发电流IG消失后，两个等效晶体管过饱和而自持导通，即：αNPN+αPNP≥1。

当温度升高时，晶体管的电流放大系数增大，将加重IGBT发生擎住效应的危险。

3 PSpice仿真建模

PSpice能够把仿真与电路原理的设计紧密地结合在一起，广泛应用于各种电路分析，可以满足电力电子电路动态仿真的要求[5,6]。其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近，对电路设计有重要指导意义。

依据上述分析，建立如图3所示的IGBT擎住效应的基于PSpice10.5的仿真电路模型[5]。其中，N-漂移区的电阻(PNP晶体管的基极电阻)Rd取典型值0.02 Ω；P井区横向电阻(寄生NPN双极型晶体管的基极—发射极之间的电阻)Rs典型值为几毫欧姆，由于受仿真软件的限制取值为0.015 Ω；MOSFET管的栅极控制电压Vpluse为5 V，500 Hz的方波电压。

图3 基于PSpice的IGBT擎住效应的仿真电路图

负载电阻R取值为10 Ω时，利用PSpice的Time Domain瞬态分析参数仿真，得到如图4所示的仿真波形。此时，电流I严格地受到栅极电压V的控制：栅极电压为高电平时，电流约为21 A；栅极电压为低电平时，电流为0，二者皆为标准的方波。

图4 负载电阻R取值为10 Ω的仿真波形

负载电阻R取值为1 Ω时的Time Domain瞬态分析参数仿真波形如图5所示。此时的集电极电流已经超过了允许值，等效的IGBT电路发生了擎住效应，集电极电流I已经不受栅极电压控制，只是随栅极电压有小幅的波动。

图5 负载电阻R取值为1 Ω的仿真波形

4 结束语

将计算机仿真技术引入电力电子技术的教学中，具有经济、安全、快捷等优点，有助于学生从直观、实践等方面更好地掌握相关的知识，收到事半功倍的效果。教学实践表明，PSpice软件效果很好，而且使用方便、精确度高、功能全面，是优秀的电力电子仿真软件之一，也是国际国内高校教学中广泛使用的电路仿真软件。

[1]S.Huang,F.Udrea,G.A.J.Amaratunga.A comparative investigation of the MCST with MCT and IGBT[J].Solid-State Electronics,2003(47):1429-1436.

[2]康劲松,陶生桂,王新祺.大功率IGBT直流特性和动态特性的PSPICE仿真[J].同济大学学报,2002,30(6):710-714.

[3]唐勇,胡安,陈明.IGBT栅极特性与参数提取[J].电工技术学报,2009,24(7):76-80.

[4]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[5]王军,张树田,李新林.IGBT的电路仿真模型及其特性模拟[J].河北科技大学学报, 2001,22(1):16-21.

[6]张华曹.IGBT综合电荷模型及其应用[J].电力电子技术,2000(5):55-58.