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《浙江大学》 2019年
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大容量沟槽栅-场截止型IGBT本征关断特性和短路强健性研究

陈玉香  
【摘要】:绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)是大容量电力电子装备中的核心部件,广泛应用于新能源发电、电气化交通和智能电网等领域。这些领域的蓬勃发展驱动着IGBT结构的不断进步,而新型器件结构也会带动器件运行特性和失效机理的演化与变迁。因此,IGBT的运行强健性及可靠性对电力电子装备的安全运行至关重要。不论是瞬态运行中的强健性问题还是长期运行中的可靠性问题,都需要深入认识器件的行为,然而,目前对器件动态特性和失效机理的研究滞后于器件结构的发展。为此本文以当前主流的沟槽栅-场截止型IGBT为研究对象,从感性箝位负载工况和短路极限工况两方面入手,深入揭示沟槽栅-场截止结构对器件本征关断特性和短路失稳机理的影响,并针对该器件的典型瞬态短路失效模式,探究计及环境因数和驱动参数影响的器件短路安全运行边界的刻画方法,旨在深化对新型结构器件行为的理解,弥补器件特性认知与结构发展之间的差距。论文的主要研究内容如下:首先,建立沟槽栅-场截止型IGBT的数值仿真模型,实现复杂工况下器件半导体物理层运行机理的精准再现。本文归纳IGBT的特性设计准则,以英飞凌1700V/1000A沟槽栅-场截止型IGBT(FF1000R17IE4)为例,依据其电参数指标,实现该款器件几何尺寸和掺杂特性的反演,进一步建立该款器件的数值仿真模型并验证其有效性。基于该模型,不仅可准确再现复杂工况下器件宏观电气端口特性的瞬态变化规律,同时还可复现器件微观载流子行为的动态演进过程,为探究外部环境参数-器件宏观端口特性-器件微观运行机理-器件结构特征四者之间的交互路径提供新途径。其次,建立含器件结构特征的存储载流子抽取关断模型,揭示沟槽栅-场截止型器件区别于传统平面栅-非穿通型器件的自控制关断行为。借助器件关断过程的数值仿真,探明存储载流子抽取行为对器件关断特性的主导作用,提出含器件结构特征的IGBT关断物理解析模型。在此基础上,揭示沟槽栅-场截止结构导致的器件自控制关断行为,表现为出现集电极-发射极电压上升率不受关断电阻影响的盲区,显著有别于IGBT关断特性对驱动参数具有高灵敏度的传统认知,进而发现由该特性引起的集电极电流下降率与关断电阻之间的非单调相关性。进一步探究母线电压、负载电流及运行结温对沟槽栅-场截止型器件自控制关断特性的影响,为复杂工况下器件驱动和保护电路的优化设计奠定理论基础。再次,在明确短路脉冲失效和短路关断失效是沟槽栅-场截止型IGBT的两种典型瞬态短路失效模式的基础上,揭示母线电压和短路电流对其本征失效机理的影响,量化避免触发这两种失效模式的器件电压-电流短路安全运行边界。借助计及器件短路失稳机理的IGBT数值仿真,分别再现短路脉冲失效和短路关断失效时的器件半导体微观层失效演进规律,揭示短路脉冲阶段双尖峰电场分布特征的形成是引发短路脉冲失效的前提条件,而器件短路关断轨迹与静态雪崩击穿曲线负微分电阻区近似重合的现象是短路关断失效发生的先决条件。在此基础上,探究不同电压和电流组合下两种瞬态短路失效的形成条件,量化避免这两种失效发生的器件电压-电流短路安全运行边界,克服传统基于器件自热效应耐受能力的短路安全工作时间判据对器件的瞬态短路故障不具有工程指导意义的不足。随后,揭示运行结温、关断电阻及寄生电感对器件短路脉冲失效和短路关断失效的影响,建立计及外部环境参数影响的器件三维短路安全工作区模型。通过计及器件短路失稳机理的数值仿真模型和含雪崩倍增效应的器件短路关断模型,分别再现短路脉冲失效和短路关断失效与运行结温、关断电阻及寄生电感之间的相关性,建立含外部环境参数的器件三维短路安全工作区模型,量化运行结温、关断电阻及寄生电感对器件电压-电流短路安全运行边界的影响,为极限工况下器件短路耐受能力评估提供理论依据。最后对本文的研究工作进行总结,简述本文的主要贡献,并对后续研究做出展望。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN322.8

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