2.3　温度对IGBT特性及IGBT模型的影响

上面建立了初步的考虑结温影响和损耗的IGBT模型，给出了25℃时的开通关断特性仿真波形。下面将详细考虑结温对IGBT特性及模型参数的影响，分析过程仍针对器件FZ1500R33HE3展开。

2.3.1　温度对IGBT特性的影响

对于电力半导体器件，其电学性能和热学性能是密切相关的。由于器件本身消耗功率产生的自加热，往往使器件的电学性能退化［89］。IGBT作为半导体器件，其工作特性对工作温度有一定的依赖性。在工作过程中，器件结温快速上升。同时，结温变化会使器件特性和众多参数发生明显的变化。结温对电气参数的影响可通过硅材料的物理特性和半导体物理方程来分析。一些半导体物理参数，如载流子迁移率、内部浓度、载流子复合速率和寿命会随温度而变化［51］。这些内部的物理参数必然影响外部的电气参数，如开关时间、门限电压、门槛电压和导通压降等。以FZ1500R33HE3为例，其结温对IGBT特性的影响如下。

（1）温度对开关时间的影响

根据英飞凌对FZ1500R33HE3测试的结果［84］进行拟合，可得温度对开关时间的影响如图2-13所示。由图可知温度对开通时间的影响不明显，但对关断时间的影响显著。结温越高，关断时间越长。其原因可以归结为两个方面：一方面，结温升高，耗尽层的载流子寿命变长，使得载流子复合和耗尽的速率减小，因而关断时间增加；另一方面，温度上升，内部PNP的电流增益增大，使得集电极电流从一个更大的初值开始拖尾，因此增加了关断时间。

（2）温度对门槛电压的影响

温度对门槛电压的关系可从特性方程推出［92］：

　　（2-15）

式中，φ_FB为平带面的电位；N_Amax为净杂质的最大浓度；C_ox为栅极氧化物电容；q为电子电荷量；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；E_g为硅半导体的禁带宽度；ε_si为硅材料的相对介电常数。从式（2-15）可以看出，温度越高，门槛电压越低。原因是随温度升高，硅材料的禁带减小、载流子浓度增加，使得开启导通沟道的门槛电压减小。

（3）温度对IGBT通态压降的影响

对IGBT数据表中的通态压降和温度的关系进行最小二乘拟合，拟合方程为：

　　（2-16）

拟合的参数值如表2-3所示。

由式（2-16）和表2-3可得IGBT通态压降和导通电流及温度的关系表达式如下：

u_ceTi=2×10－6i_cT_j+7.5×10－4T_j+6.5×10－4i_c+1.53125　　（2-17）

由式（2-17）可得通态压降和温度的关系曲线如图2-14所示。

从图2-14中可以看出，随结温升高，IGBT的通态压降上升。原因如下：IGBT的通态压降是由内部的等效电阻和PN结的电压降引起的，IGBT在基区存在电导调制效应使得通态压降要小于MOS管；在大电流时，长基区电阻是主要的，随温度上升，电子的迁移率减小，因而电阻增加，通态压降增加，即通态压降此时具有正的温度系数。

（4）温度对VDR特性的影响

同样对IGBT数据表中的VDR的通态压降以及反向恢复损耗和温度的关系进行最小二乘拟合，拟合方程为：

U_f=－0.0029T_j+3.175　　（2-18）

由式（2-18）可得VDR的通态压降与温度的关系曲线如图2-15所示。由图可见，随结温升高，VDR的通态压降下降，原因在于：随温度升高，半导体的本征载流子浓度增加，扩散运动加剧，使得PN结内部等效电阻减小，从而压降减小。

2.3.2　考虑结温影响的IGBT电气模型

对比2.2节建模中所用的式（2-6）～式（2-14），并结合2.2.1的分析，可以看出受温度影响显著的参数有拟合系数a、b、c、d、e，通态压降u_cesat，门槛电压u_geth，PNP结构的共基极电流增益α和载流子寿命常数τ，以及需要提取的开通关断各阶段的电容参数。其中，在给定门极驱动电压为±15V不变的情况下，用a、b、c和u_cesat拟合的输出特性可以简化，由式（2-17）拟合；开通关断各阶段的电容参数根据修正的模型系数自动提取；d、e和u_geth、电流增益α和载流子寿命常数τ，分别按线性规律进行修正：

　　（2-19）

　　（2-20）

功率损耗的计算为：

　　（2-21）

从而可得IGBT考虑结温影响和损耗输出的IGBT电气原理模型如图2-16所示。

2.3.3　不同结温下的IGBT开关特性

基于前面所建立的考虑结温影响的IGBT电气模型，采用图2-8所示电路，分别对25℃、50℃、75℃和100℃的开关特性进行仿真。仿真波形如图2-17～图2-20所示，其中图2-17和图2-18分为不同结温下IGBT开通过程的电流波形和端电压波形。从图中可以看出，开通过程中，随结温升高，IGBT开通延迟时间略有增加，每升高25℃增加约25ns，电流上升时间基本不变，开通电流的峰值有所上升，相应的IGBT端电压下降斜率略有减小，最后的通态电压值稍有增加。

图2-19和图2-20分别为不同结温下IGBT关断过程的电流波形和端电压波形。从图中可以看出，关断过程中，随结温升高，拖尾电流初始值变大，关断时间变长；同时，关断电压过冲有所减小。

为验证考虑温度影响的IGBT模型建模的准确性，本书以文献［98］中给出的FZ1200R33HE3在不同结温下的关断过程实验测试波形作为比较标准。采用前面所述的方法建立FZ1200R33HE3的考虑温度影响的电气模型，并利用该模型进行仿真得到不同结温下的关断过程波形。通过将此仿真波形与文献［98］的波形进行比较，来验证模型建模的准确性。FZ1200R33HE3与FZ1500R33HE3相比，很多特性如最大允许结温、额定工况下的开通过程中的开通延迟时间、电流上升时间、关断过程中的关断延时时间和电流下降时间基本相同，这可以简化FZ1200R33HE3的建模工作，其模型的关键参数如表2-4所示，表中仅列出了与FZ1500R33HE3不同的模型参数。利用图2-8所示电路分别对25℃、100℃和145℃的开关特性进行仿真。电路仿真参数如表2-5所示。

仿真的关断特性结果与文献［98］提供的关断实验波形的对比如图2-21和图2-22所示。从图中可以看出，25℃、100℃和145℃三种结温下关断电流和关断电压波形的仿真结果和实验结果较为吻合，其反映的关断延时、拖尾电流、关断时间、关断电压过冲随结温升高的变化规律基本相同，只是在100℃和145℃时的电流下降时间t_if和关断电压u_ov的数值上仿真结果与实验结果存在一定误差。