在《IGBT的物理結構模型》中,我們將IGBT內部PIN結切分成了PIN1和PIN2(見上一節(jié)插圖), 因為PIN1與溝槽所構成的MOS串聯(lián),而IGBT關斷是通過MOS溝道夾斷而關斷,而分析PIN1時所采用的邊界條件為陰極只有電子電流,空穴電流為0,因此PIN1部分的電流隨著MOS關斷會迅速降低到0,對后續(xù)關斷瞬態(tài)的分析影響很小。
而PIN2部分的電流則會通過復合緩慢衰減,是后續(xù)關斷中電流的主要構成部分,因此這里我們只討論PIN2的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程。
在之前的分析中,我們采用了對稱的一維坐標體系,即
,對穩(wěn)態(tài)的載流子濃度分布進行推導。考慮到關斷瞬態(tài)過程中,耗盡區(qū)會逐漸擴大,基于該坐標體系的
部分會逐漸減小,即非耗盡區(qū)逐漸減小,不再相對中點對稱,顯然對稱坐標體系不便于后續(xù)的梳理推導。這里我們先更換坐標體系為
,其中
為非耗盡區(qū)寬度,重新求解擴散方程(6-2),并將結果作為后續(xù)關斷瞬態(tài)的初始條件。

如圖所示,假設IGBT基區(qū)寬度為
,回顧《IGBT中的若干PN結》中關于反偏PN結的耗盡區(qū)寬度計算,顯然,

其中,
為base區(qū)摻雜濃度,
為BJT基極與集電極之間的反偏電壓。需要注意的是該等式中忽略了內建電勢以及p-base的濃度影響。在導通狀況下,
近似認為0,但關斷過程中,主要依靠
所在位置的反偏PN結承受電壓,近似認為
等于外界施加電壓。
回顧《IGBT的物理結構模型》的PIN結構模型,取陽極邊界條件(IGBT集電極)為電子電流
,在這里即
,其中
表示總電流。為簡化運算,直接令
(稍后我們會給出
與
之間的關系),這樣邊界條件根據(jù)坐標系的變更調整如下:

(6-2)的通解是
,根據(jù)邊界條件(6-8),很容易計算出通解的系數(shù)
和
分別為:

將系數(shù)
和
分別帶入
的通解表達式,并利用
,可以得出穩(wěn)態(tài)下
的表達式:

下面我們看看
與電流
之間的關系。在
處,將(6-10)求微分,然后將結果帶入邊界條件
,得到:

所以,當通過IGBT的總電流
確定后,通過(6-10)和(6-11)即可計算出IGBT內部任意位置的多余載流子分布。
需要注意的是,上述分析均是基于大注入的模型假設,即任意位置
均成立,但是顯然在接近BJT集電極的位置,因為PN結反偏,
,所以大注入條件在這個位置是不成立的。
盡管如此,這個區(qū)域占比很小,因此大注入模型依然能夠比較準確地分析
和電流分布的影響。

后面,基于穩(wěn)態(tài)的
分布,我們將逐一構建起電流(包括電子電流和空穴電流)、電壓與
之間的關系,再通過
與
或者
之間的關系,并將其作為后續(xù)關斷瞬態(tài)分析的邊界條件。
圖中繪出了
隨總電流
的變化趨勢, 橫坐標
處的載流子濃度即為
,顯然
隨
增大而增大。(6-11)所給出的
與
的關系是基于PIN結構模型
。但實際上基于BJT模型,存在基極的電子電流
,這部分電流電流必須要經(jīng)過BJT發(fā)射極(IGBT集電極)流出,所以
。下面我們會再基于BJT結構模型來進一步修正
、
與
的關系。
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