【摘 要】
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）具有低导通压降、高电流密度、高输入阻抗和宽安全工作区等优点,在电力电子领域得到了广泛的应用。沟槽栅IGBT由于其更低的导通压降与更优的开关特性,已逐渐在电机驱动系统中占据主流。然而,传统沟槽IGBT器件在高速开关过程中会带来较大的di/dt,影响器件开启时的栅控能力。本文旨在对传统沟槽IGBT器件进行
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绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）具有低导通压降、高电流密度、高输入阻抗和宽安全工作区等优点,在电力电子领域得到了广泛的应用。沟槽栅IGBT由于其更低的导通压降与更优的开关特性,已逐渐在电机驱动系统中占据主流。然而,传统沟槽IGBT器件在高速开关过程中会带来较大的di/dt,影响器件开启时的栅控能力。本文旨在对传统沟槽IGBT器件进行优化分析,设计一款低导通压降、高栅控能力的沟槽栅IGBT器件。本文首先对沟槽栅IGBT器件的基本工作原理进行了分析,详细阐述了沟槽IGBT器件导通压降特性与栅控能力的内在关系,提出了降低空穴积聚数目和减小栅极充电电容的两种优化思路。然后,基于降低空穴积聚数目思路,设计了具有深浮空P层和具有浮空沟槽发射极的两种沟槽IGBT器件结构,并进行了仿真验证;基于减小栅极充电电容思路,设计了具有发射极防护的沟槽IGBT器件结构,并进行了仿真验证。最后,对三种新型结构进行了综合性能对比分析,确定具有沟槽发射极防护的沟槽IGBT器件是最优的结构。仿真结果显示,具有沟槽发射极防护的沟槽IGBT器件击穿电压为1630V,阈值电压为5.0V,在电流密度200A/cm~2下的导通压降为1.46V;在小电流开启的条件下,电流变化率为650A/μs,较传统沟槽IGBT器件提升了18%,器件集电极电流变化率di/dt对栅电阻RG的敏感性较强,各项性能参数均达到设计指标要求。
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