IGBT单一芯片参数对瞬态均流特性的影响

刘春光

（深圳市鑫汇科股份有限公司，广东深圳，518000）

0 引言

IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，其属于柔性直流输电装置中一个不可缺少的模块。其内部芯片数量会在不同的电流等级下有所不同，电流等级越高，则芯片数量越多，而在高等级电流下，会出现各芯片支路不均流问题。如果发生这一情况，会有一些芯片的工作电流处于额定电流之下，会在一定程度上降低芯片的使用频率。而一些芯片会存在较大的工作电流，超出了安全工作范围值，大大减少了芯片使用时间，严重情况下会加快芯片的损坏速度。在芯片均流研究上，主要是对两方面内容进行研究，一种为瞬间态均流，另一种为稳态均流，现阶段，在影响稳态均流因素的研究上已经存在较为丰富的研究成果，因此，本文对瞬态均流进行研究。当前，在瞬态均流的研究上，大多是对封装寄生参数、驱动控制以及母排寄生参数等方面进行讨论，但很少有人把目光投在芯片参数这一领域中。J.C.Joyce在数值及电路仿真的基础上，重点探究了绝缘栅双极型晶体管模块关断过程电流分布所受栅极电阻的影响程度，得到这一结果：芯片参数一致性，会对模块开通瞬态均流产生较大的影响。并且在同年，以上人员研究出了芯片参数不同的情况下，对瞬态均流影响也会有所不同的结果。所以，研究芯片参数会对瞬态均流产生怎样的影响意义重大。

1 IGBT芯片电路模型

■1.1 IGBT芯片模型

将IGBT模型分成两大类，一类是数学模型，另一类是行为模型。这两类模型中，前者是基于半导体的物理方程，一般应用在芯片的生产研发步骤，具备较高的求解精度，不过对模型相应物理参数进行提取时，会存在较大的困难，因为提取过程中涉及到的计算工作较多。而后者行为模型主要看重芯片的端口外特性及模块，一般用于分析芯片电路，数据大部分都记录在厂商的出厂数据手册中，其余需要的数据也可通过实验得出，该模型具备较快的计算速度，同时也存在较好的通用性。

为避免结果出现偏差，需减少其他不必要因素的影响，则选用IXGH32N170型的IGBT芯片，根据出厂手册中的数据资料，进行相应IGBT芯片模型的建立。如图1所示，其表示的是通过IGBT芯片模型进行仿真，实验得出的模型曲线与数据手册中曲线的区别。Vge表示栅极－发射极电压，Isat表示芯片的退饱和区电流，Ic表示集电极电流，Vcesat表示芯片的饱和区集电极－发射极电压。对比数据手册可以看出，该芯片模型在饱和区内Vcesat的相对误差并未超过4%，Isat的相对误差在6%之下，两者具备较好的一致性。

图1 对比结果

■1.2 双脉冲等效电路模型

测试IGBT开关特性中，较为常用到的一种方法就是双脉冲测试，这一测试方法将二极管钳位电感作为负载，第一个脉冲主要的目的是提供测量所需电流，完成第一个脉冲后，对IGBT关断瞬态特性进行测量，由于会存在较大的负载电感值，因此在关断的短暂时间内，认为通过集电极的电流并未发生变化，第二个脉冲开始时，对IGBT开通瞬态特性进行测量。如图2所示为双脉冲等效电路模型，在该模型中，主支路参数主要包括R0寄生电阻、L0寄生电感、Lload负载电感以及CDC放电电容；驱动回路参数主要包括RG寄生电阻、LG寄生电感；支路参数主要包括Le发射极寄生电感、Lg栅极寄生电感以及Lc集电极寄生电感。g、c、e代表芯片连接端子，G、C、E代表模块连接端子，除此之外，驱动信号Up幅值范围在－15～15V，而脉宽为70μs，空比为4/7，根据相关文献得出电路中的无源文件参数。基于芯片模型与双脉冲测试等效电路模型下，确保后期研究的良好开展。

图2 双脉冲等效电路模型

2 定量分析指标

实际研究过程中，为更好的分析芯片参数变化时，瞬态电流分布的变化情况，应进行瞬态均流与芯片参数分散性评价指标的建立，并且保证指标的准确性及科学性。

■2.1 芯片参数分散性指标

确定芯片分散性指标时，需要以统计学概念为主要依据，会涉及到方差、极差以及变异系数等方面的知识，这种指标会有效显示出芯片整体的分散性，不过，并不具备分析单一芯片参数影响的功能，同时样本质量及数量会在一定程度上影响结果的可信度。数据手册中，对于参数统计规律的表述通常会通过最小值、最大值以及典型值的方式，典型值表示的就是期望值。本文对芯片参数变化率做出了定义，使芯片典型值与实测值建立了较好的关联性，以便于芯片设计及筛选工作的良好开展。

稳态均流主要会受到IGBT芯片参数中饱和压降的影响，同时，作为关断的初始状态，会对关断瞬态均流产生相应的影响。为使分析更为简化，这种影响本文不做考虑，默认为芯片存在一致的饱和压降。对IGBT6个芯片参数进行详细分析，参数变化率公式：

其中，Vth表示的是阈值电压；Rg表示的是栅极电阻；gfs表示的是跨导；Cge表示的是栅极－发射极电容；Cce表示的是集电极－发射极电容；Cgc表示的是栅极－集电极电容，而Vth0、gfs0、Cce0、Rg0、Cge0以及Cgc0，则表示芯片参数的典型值，本文典型值选择数据手册中的参数值。在集电极－发射极电压以及栅极电压发生改变的情况下，跨导也会发生相应变化，本文将数据手册作为主要的参考依据，选择出相应跨导值。

■2.2 瞬态均流指标

均流指标具体包括两个类型，一种为统计型指标，另一种为电流型指标，前者中具体涵盖差异系数以及标准差等，通过统计型指标开展定量分析工作时，通常要测量大量的样本，往往存在较大的工作量。所以，本文与现有指标相结合，确定出ξ，即瞬态均流评价指标，对芯片参数作用机理进行分析，对改指标进行计算，实际的计算结果会将不同芯片支路电流差异与电流间的联系很好的显示出来，而结果的正负性则能体现出各芯片支路电流大小情况，公式(7)为具体的表达式：

公式（7）中，Ichip表示的是芯片电流值；Iav表示的是芯片电流平均值，即开关瞬态电流处于峰值时刻的电流值。

3 芯片单一参数对瞬态均流的影响分析

对芯片参数值做出改变，同时进行拟合处理，最终得出芯片模型，存在一定的参数分散性。为有效分析各参数对多芯片瞬态均流产生的不同影响，需要细致分析基于相同变化率条件下，各芯片参数的瞬态电流分布情况，同时做出以下几点假设：首先，芯片各参数会在－50%～50%范围内加以变化；其次，开关瞬态环节，只对芯片参数进行改变，其他芯片则保持不变。通过以上假设下，计算获得芯片支路瞬态电流，对瞬态均流所受各芯片参数影响情况加以分析。

■3.1 阈值电压

此部分内容中，只对阈值电压(Vth1)加以改变，着重探讨其对瞬态均流产生的影响。如图3所示，阈值电压变化范围处于±10%时，瞬态电流的波形情况，芯片IGBT1的电流为Ic1，芯片IGBT2的电流为Ic2，t代表时间。

图3 阈值电压发生改变时开关瞬态电流波形情况

开通瞬态过程中，当Vth大于Vge时，芯片所处的状态是截止状态。Cge持续充电过程中，Vge会不断增大，当其超过Vth时，因为Vce较大，芯片处于退饱和状态，Vge的增大下，Ic逐渐上升，Vce则因为二极管钳位没有发生变化。从而可以看出，Vth越大则流过芯片的电流会越小。对于关断瞬态过程中[2]，芯片电流主要可以分为不同的过程，例如电流下降、存储以及拖尾过程。芯片中若不存在均衡的跨导与阈值电压，则会出现电流分配不均衡情况。

■3.2 栅极电阻

开关瞬态环节的栅极电压波形，会直接受到芯片栅极电阻大小的影响，只是对芯片栅极电阻(Rg1)加以改变，详细探讨其对瞬态均流产生的影响，当其变化范围在±10%时，具体瞬态电流波形情况详见图4，对图4进行详细分析得出，与瞬态开通环节相比，IGBT芯片栅极电阻对瞬态关断的影响较大。栅极电阻越大的IGBT芯片将承受较小的开通电流与较大的关断电流。

图4 栅极电阻发生改变时开关瞬态电流波形情况

芯片开通瞬态环节，驱动电源会对芯片进行电容充电，此时栅极电压会快速上升，当期到达阈值电压后，栅极电压上升情况下，集电极电流也逐渐增大，存在于续流二极管中的电流全部进入到芯片后，二极管会进行反向恢复，造成芯片电流尖峰。这一环节，芯片电压会快速下降，同时会将驱动电流进行抽取，τ为时间常数，公式如下。

如公式（8）所示，RGΣ表示的是栅极串联电阻，具体由栅极外部寄生电阻与栅极电阻相加得出；CGE与CGC表示测量模块外部端口从而得到的电容值，例如芯片极间电容以及封装寄生电容。从公式（8）中能够得出，栅极电压充电时间会直接受到栅极电阻的影响，并且也会在一定程度上影响着电流的上升速度与开通时间。

芯片关断瞬态环节，较小栅极电阻芯片其会存在较快的栅极电压下降速度，具体而言，首先消失的是反型层，随后MOS沟道会被夹断，因此导致电流快速下降。

■3.3 跨导

对于芯片开通瞬态环节而言，芯片的状态往往是退饱和形式，所谓的跨导，其实质上表示的是转移特性曲线的动态斜率，转移特性曲线的起点则是阈值电压。转移特性曲线情况如图5所示，可以看出同一批次芯片转移曲线存在交叉现象，具体而言，除了阈值电压外，芯片载流子迁移率及物理结构也会对跨导产生相应影响。

图5 实测转移特性曲线

从图5中可以看出，导致这一现象的原因主要是跨导受其他参数影响超过了阈值电压，所以可以得出这样的结论：跨导与阈值电压较为独立[3]，并无较大联系。本文利用数据手册，将某一静态工作点处曲线斜率当作跨导值。只将跨导值做出改变，重点探究跨导值对瞬态均流产生的影响。当跨导值变化范围处于±10%时，得出图6中表示的瞬态电流波形情况。基于图6中可以看出，芯片跨导值越大，其所能承受的电流则越大。除此之外，跨导对关断瞬态主要影响阶段，对于芯片稳态均流并不具备较大的影响。

图6 跨导发生改变是开关瞬态电流波形情况

从图6中可以看出，芯片跨导越大，则其能够承受越大的关断及开通瞬态电流。

■3.4 极间电容Cge、Cgc以及Cce

同栅极电阻存在较为相似的作用，开关瞬态Vge的波形会在一定程度上收到Cgc与Cge的影响，这种情况下会相应的影响到瞬态电流分布特性。通过公式（8）能够得出，芯片Cgc与Cge逐渐增大的情况下，充放电的时间变长，电压也变化缓慢，开通瞬态电流变小，关断瞬态电流增大[4]。因为Cce不存在较大的容值，瞬态环节位移电流也会较小。对Cge1、Cce1以及Cgc1做出改变，从而详细分析其对瞬态均流所产生的影响情况，当其变化率处于±10%范围内时，得出图7至图9瞬态电流波形情况。

图7 Cge1发生改变时开关瞬态电流波形情况

由图7至图9中可以看出，瞬态均流受芯片极间电容影响低于2%，因此可忽略不计。

图8 Cgc1发生改变时开关瞬态电流波形情况

图9 Cce1发生改变时的开关瞬态电流波形情况

4 影响规律

对瞬态均流受各芯片参数的影响进行分析，对各评价指标做出计算，同时总结实际的影响规律，最终结果详见表1。

表1 影响规律

从表1中能够看出，Vth这一参数对瞬态均流产生的影响最大，Cce的影响最小，同其他参数相比，Vth会在很大程度上影响瞬态均流的平均灵敏性，研究结果表明阈值电压、跨导和栅极电阻是对瞬态均流影响最大的3个芯片参数。

5 结束语

综上所述，本文建立了芯片仿真模型，分析开通瞬态与关断瞬态均流同芯片参数之间的关系，当芯片参数发生变化时，开通与关断瞬态均流会发生怎样的变化，制定出了相应的评价指标，最后对实际影响做出具体评价。在6个参数中对开通瞬态均流产生最大影响的是Vth，产生最小影响的是Cce，其余从小到大排列为Cgc、Cge、Rg、以及gfs；对关断瞬态均流产生最大影响的是Vth，产生最小影响的是Cce，其余从小到达排列为Cge、Cgc、Rg以及gfs。筛选IGBT芯片时[5]，应对芯片Rg、gfs以及Vth分散性情况加以重视。在瞬态均流的研究及芯片筛选时需要关注Vth与gfs的共同影响。进行瞬态均流仿真时，需着重注意不同参数对瞬态均流造成的影响。