【摘 要】
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绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)是目前性能优良且应用广泛的两种功率器件。随着器件电压等级的提升和电流容量的增大,雪崩效应已成为限制器件安全工作区(SOA)的重要因素。而雪崩发生后器件背面p n结空穴注入的影响是IGBT和IGCT中的雪崩效应区别于其他器件的主要特征。本文通过理论分析、解析建模与数值仿真研究了两种器件在过电压下静态雪崩和关断
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绝缘栅双极晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)是目前性能优良且应用广泛的两种功率器件。随着器件电压等级的提升和电流容量的增大,雪崩效应已成为限制器件安全工作区(SOA)的重要因素。而雪崩发生后器件背面p n结空穴注入的影响是IGBT和IGCT中的雪崩效应区别于其他器件的主要特征。本文通过理论分析、解析建模与数值仿真研究了两种器件在过电压下静态雪崩和关断过程中动态雪崩的鲁棒性,并结合实验测试对两种器件在应用中的失效问题进行了失效机理的研究。主要的研究成果如下:1.当IGBT和IGCT工作在静态雪崩模式时,器件静态雪崩击穿曲线上正、负微分电阻分支的转折点电流决定了雪崩产生电流丝的强度,温升引起的雪崩击穿曲线的偏移量决定了电流丝的移动速度;器件的αpnp越大,电流丝强度越强、且移动速度越慢,导致器件的静态雪崩鲁棒性越弱。2.当IGBT和IGCT工作在动态雪崩模式时,器件背面p n结的空穴注入会增强动态雪崩效应,使雪崩产生的电流丝具有纵向贯穿器件的特征;器件的αpnp越大,电流丝的移动速度越慢,导致器件的动态雪崩鲁棒性越弱。3.建立了IGBT动态雪崩开启电压的解析模型,解析计算结果表明,动态雪崩开启电压不仅取决于N-漂移区的掺杂浓度,也受通过空间电荷区自由载流子的影响;器件的αpnp和关断电流越大,动态雪崩开启电压越低,动态雪崩发生越早。建立了IGCT关断过程中电压上升阶段的解析模型,可以表征动态雪崩发生后器件端电压、空间电荷区宽度及其内部电子电流密度随时间的变化规律。4.IGCT关断时的动态雪崩效应及其产生的电流丝会促使电流向外环强烈聚集,导致器件因外环重触发而损坏;IGBT在过应力条件下关断时会发生电压箝位现象,此时内部产生缓慢移动的电流丝会使器件因局部过热而失效,并且减小αpnp,可以提高器件在此工况下的鲁棒性。5.发现了IGBT和IGCT在过应力条件下关断时的一种电压自箝位机制,是由强烈的动态雪崩注入诱发,并对器件具有破坏性;建立的解析模型表明,箝位电压与器件的αpnp以及关断电流密切相关。
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