郝保明，許海峰，李 彪，陳欣歡

（宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

PSpice自從問(wèn)世以來(lái)，就迅速得到了廣泛應(yīng)用，并且具有快速、準(zhǔn)確的仿真功能[1].雖然包括PSpice、Saber等在內(nèi)的許多模擬軟件具有很齊全的功能，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，但通常不能直接對(duì)IGBT和功率MOSFET器件性能進(jìn)行仿真[2].原因是：第一，這些模擬軟件通常并沒(méi)有功率器件模型的庫(kù)；第二，一般來(lái)說(shuō)這些軟件需要器件的初始條件，包括工藝數(shù)據(jù)等參數(shù).

1 IGBT的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

以NPN型IGBT為例，N-IGBT是三端器件，其基本結(jié)構(gòu)是由N溝道的VDMOSFET與雙極型晶體管BJT兩部分所組成[3]，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖

從簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)可以看出IGBT相當(dāng)于兩個(gè)級(jí)：輸入級(jí)和輸出級(jí).其中，輸入級(jí)是MOSFET，輸出級(jí)是PNP晶體管.輸入控制著輸出，是一種電壓控制型器件.其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間電壓UGE所決定的.當(dāng)給IGBT柵極一個(gè)正向電壓降時(shí)，IGBT就能夠自動(dòng)導(dǎo)通；當(dāng)給IGBT的柵極一個(gè)反向的負(fù)電壓時(shí)，IGBT就會(huì)自動(dòng)關(guān)斷.流過(guò)MOSFET的電流為IGBT電流的主要部分，MOSFET的參數(shù)取值決定了IGBT的特性，包括其開(kāi)關(guān)和存儲(chǔ)時(shí)間等.

2 IGBT的基本特性仿真

2.1 靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性包括轉(zhuǎn)移與輸出共兩種特性.所謂轉(zhuǎn)移特性指的是IGBT的集電極電流IC和IGBT的柵極與發(fā)射極間電壓UGE的變化關(guān)系[4].仿真特性曲線電路如下圖2所示，并對(duì)ZT1和ZT2兩種狀態(tài)的特性曲線分別作了對(duì)比.

圖2 仿真特性曲線電路圖

轉(zhuǎn)移特性曲線(ZT1)如圖3所示，橫軸V_V2表示柵極與發(fā)射極間電壓UGE，縱軸-I（R1）表示集電極電流IC.其中參數(shù)設(shè)置是：V_V2的變化范圍是0～15V，其步長(zhǎng)是1V.集電極與發(fā)射極間電壓為30V，R1=0.05mΩ，仿真溫度是25℃.閥值電壓計(jì)算值為4.3V，與仿真波形顯示相符.

圖3 IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（ZT1）

輸出特性的曲線(ZT1)如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)V_V1為IGBT的集電極與發(fā)射極間電壓UGE，縱坐標(biāo)-I(R1)是集電極電流IC.仿真參數(shù)設(shè)置是：V_V1的變化范圍是0～20V，步長(zhǎng)設(shè)置為1V.分別選取柵射極之間電壓UGE為5V、8V、14V和15V共四個(gè)電壓值，觀察其輸出特性.

為增加模型仿真的可比性，需要考慮溫度效應(yīng).取絕對(duì)溫度T=368.15K，根據(jù)計(jì)算的模型參數(shù)帶入仿真，可得在ZT2時(shí)的仿真特性曲線，如圖5和圖6所示.

圖4 IGBT的輸出特性（ZT1）

圖5 IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（ZT2）

圖6 IGBT的輸出特性曲線（ZT2）

根據(jù)轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線可以看出，溫度變化影響著IGBT,溫度效應(yīng)影響著IGBT的內(nèi)部參數(shù).此方法適用于不同軟件對(duì)IGBT的仿真，適用范圍廣.同時(shí)，結(jié)合PSpice軟件的特點(diǎn)，可設(shè)定不同的仿真溫度，從而根據(jù)不同溫度下IGBT的輸出特性曲線，重新取值計(jì)算模型參數(shù).

2.2 動(dòng)態(tài)特性

根據(jù)所示的仿真電路原理圖，將各參數(shù)值代入元件模型進(jìn)行仿真，其他參數(shù)采用默認(rèn)值.

圖7 單IGBT的仿真的電路原理圖

柵極串聯(lián)電阻Rg關(guān)系著開(kāi)通和損耗的能量，取值越大，則其損耗就越大；但Rg對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程有著多方面的影響，若減小Rg，電流變化迅速也會(huì)導(dǎo)致反并聯(lián)二極管反向峰值電流增大.因此，考慮到仿真實(shí)驗(yàn)的收斂性，取Rg為3Ω.

圖8 柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形

激勵(lì)信號(hào)采用脈沖源，周期選為100us，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖8所示.集射極間電壓為300V，負(fù)載電感和電阻分別取0.035mH、50Ω.

圖9 IGBT輸出電壓電流圖

IGBT的輸出電壓以及電流如圖9所示.其中，橫坐標(biāo)V(Cgc：1)指的是IGBT集射間電壓UCE，縱坐標(biāo)-I(L1)指的是負(fù)載電流，負(fù)號(hào)表示電流從L1的端點(diǎn)1流向端點(diǎn)2，仿真波形中導(dǎo)通壓降在2V左右，與實(shí)際相符.

3 總結(jié)

本文首先從IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和工作原理兩方面出發(fā)，闡述了一種新的簡(jiǎn)便的IGBT建模方法，運(yùn)用PSpice軟件結(jié)合廠商提供的特性曲線和特征參數(shù)，并考慮溫度效應(yīng)的影響，建立了IGBT仿真模型.

〔1〕梁中華,成燕,孫勇軍，等.一種適合電路仿真的IGBT模型[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),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〕康勁松,陶生桂,王新祺.大功率IGBT直流特性和動(dòng)態(tài)特性的PSpice仿真[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(6):710-714.