场截止型IGBT开关噪声分析及优化

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绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有导通压降小、电流密度大、耐压高、开关速度快及热稳定性好等优点,在电力电子系统中得到了广泛的应用。场截止型IGBT(Field Stop IGBT,FS-IGBT)由于其低损耗已成为当前设计发展的主流,但是当它作为功率开关器件时,高速开关过程中会产生较大的开关噪声,严重影响系统性能。本文旨在解决1200V FS-IGBT的高开关噪声问题。本文首先对样品芯片进行了系统级开关噪声测试,发现FS-IGBT样片在系统中的开关噪声高至42dB。其次,结合全桥逆变电路详细阐述了FS-IGBT开关噪声的产生过程,以及开关噪声与器件参数的关系。再次,经过大量测试分析发现,FS-IGBT零电流开启时的高电流尖峰和电流不受栅极电阻R_G控制,以及大电流关断时产生的电压过冲是FS-IGBT开关噪声的器件级影响因素;针对测试结果,经过理论和仿真分析得出增大器件R_G、改善负容效应可以减小电流尖峰和电压过冲。在机理分析的基础上,给出了带有深浮空P层结构,带有载流子存储层结构,以及带有沟槽型发射极结构等三种低开关噪声FS-IGBT器件新结构。在保证FS-IGBT器件其它性能参数的基础上,减小了器件开启时的电流尖峰以及关断时的电压过冲,从而实现对开关噪声的有效控制。流片测试结果表明:所设计的带有载流子存储层FS-IGBT器件的开关噪声抑制效果最佳,在系统中的开关噪声低至39dB,击穿电压为1250V,导通损耗为4.08mJ,关断损耗为2.39mJ,导通压降为1.518V,阈值电压为5V,各项参数均达到设计指标。
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