IGBT的基本特性仿真研究

郝保明，许海峰，李 彪，陈欣欢

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

PSpice自从问世以来，就迅速得到了广泛应用，并且具有快速、准确的仿真功能[1].虽然包括PSpice、Saber等在内的许多模拟软件具有很齐全的功能，能够进行准确模拟，但通常不能直接对IGBT和功率MOSFET器件性能进行仿真[2].原因是：第一，这些模拟软件通常并没有功率器件模型的库；第二，一般来说这些软件需要器件的初始条件，包括工艺数据等参数.

1 IGBT的简化结构

以NPN型IGBT为例，N-IGBT是三端器件，其基本结构是由N沟道的VDMOSFET与双极型晶体管BJT两部分所组成[3]，简化结构如图1所示：

图1 简化结构图

从简化结构可以看出IGBT相当于两个级：输入级和输出级.其中，输入级是MOSFET，输出级是PNP晶体管.输入控制着输出，是一种电压控制型器件.其开通和关断是由栅极和发射极间电压UGE所决定的.当给IGBT栅极一个正向电压降时，IGBT就能够自动导通；当给IGBT的栅极一个反向的负电压时，IGBT就会自动关断.流过MOSFET的电流为IGBT电流的主要部分，MOSFET的参数取值决定了IGBT的特性，包括其开关和存储时间等.

2 IGBT的基本特性仿真

2.1 静态特性

IGBT的静态特性包括转移与输出共两种特性.所谓转移特性指的是IGBT的集电极电流IC和IGBT的栅极与发射极间电压UGE的变化关系[4].仿真特性曲线电路如下图2所示，并对ZT1和ZT2两种状态的特性曲线分别作了对比.

图2 仿真特性曲线电路图

转移特性曲线(ZT1)如图3所示，横轴V_V2表示栅极与发射极间电压UGE，纵轴-I（R1）表示集电极电流IC.其中参数设置是：V_V2的变化范围是0～15V，其步长是1V.集电极与发射极间电压为30V，R1=0.05mΩ，仿真温度是25℃.阀值电压计算值为4.3V，与仿真波形显示相符.

图3 IGBT的转移特性曲线（ZT1）

输出特性的曲线(ZT1)如图4所示，图中横坐标V_V1为IGBT的集电极与发射极间电压UGE，纵坐标-I(R1)是集电极电流IC.仿真参数设置是：V_V1的变化范围是0～20V，步长设置为1V.分别选取栅射极之间电压UGE为5V、8V、14V和15V共四个电压值，观察其输出特性.

为增加模型仿真的可比性，需要考虑温度效应.取绝对温度T=368.15K，根据计算的模型参数带入仿真，可得在ZT2时的仿真特性曲线，如图5和图6所示.

图4 IGBT的输出特性（ZT1）

图5 IGBT的转移特性曲线（ZT2）

图6 IGBT的输出特性曲线（ZT2）

根据转移特性和输出特性曲线可以看出，温度变化影响着IGBT,温度效应影响着IGBT的内部参数.此方法适用于不同软件对IGBT的仿真，适用范围广.同时，结合PSpice软件的特点，可设定不同的仿真温度，从而根据不同温度下IGBT的输出特性曲线，重新取值计算模型参数.

2.2 动态特性

根据所示的仿真电路原理图，将各参数值代入元件模型进行仿真，其他参数采用默认值.

图7 单IGBT的仿真的电路原理图

栅极串联电阻Rg关系着开通和损耗的能量，取值越大，则其损耗就越大；但Rg对开关过程有着多方面的影响，若减小Rg，电流变化迅速也会导致反并联二极管反向峰值电流增大.因此，考虑到仿真实验的收敛性，取Rg为3Ω.

图8 栅极驱动电压波形

激励信号采用脉冲源，周期选为100us，IGBT栅极驱动电压波形如图8所示.集射极间电压为300V，负载电感和电阻分别取0.035mH、50Ω.

图9 IGBT输出电压电流图

IGBT的输出电压以及电流如图9所示.其中，横坐标V(Cgc：1)指的是IGBT集射间电压UCE，纵坐标-I(L1)指的是负载电流，负号表示电流从L1的端点1流向端点2，仿真波形中导通压降在2V左右，与实际相符.

3 总结

本文首先从IGBT内部结构组成和工作原理两方面出发，阐述了一种新的简便的IGBT建模方法，运用PSpice软件结合厂商提供的特性曲线和特征参数，并考虑温度效应的影响，建立了IGBT仿真模型.

〔1〕梁中华,成燕,孙勇军，等.一种适合电路仿真的IGBT模型[J].沈阳工业大学学报,2001,23(11):18-21.

〔2〕Bonsbaine,A.,Trigkidis,G.and Benamrouche,N.An integrated electro thermal model of IGBT devices(experimental validation)[C].Proceedings of the 44th International Universities Power Engineering Conference(UPEC),Glasgow,2009:1-5.

〔3〕Sigg,J.,Turkes,P.and Kraus,R. Parameter extraction methodology and validation for an electro thermal physics-based NPT IGBT model[C].Industry Applications Conference of IEEE(IAS),New Orleans,LA,1997,2:1166-1173.

〔4〕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.