【摘要】：絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)是大容量電力電子裝備中的核心部件,廣泛應用于新能源發(fā)電、電氣化交通和智能電網(wǎng)等領域。這些領域的蓬勃發(fā)展驅動著IGBT結構的不斷進步,而新型器件結構也會帶動器件運行特性和失效機理的演化與變遷。因此,IGBT的運行強健性及可靠性對電力電子裝備的安全運行至關重要。不論是瞬態(tài)運行中的強健性問題還是長期運行中的可靠性問題,都需要深入認識器件的行為,然而,目前對器件動態(tài)特性和失效機理的研究滯后于器件結構的發(fā)展。為此本文以當前主流的溝槽柵-場截止型IGBT為研究對象,從感性箝位負載工況和短路極限工況兩方面入手,深入揭示溝槽柵-場截止結構對器件本征關斷特性和短路失穩(wěn)機理的影響,并針對該器件的典型瞬態(tài)短路失效模式,探究計及環(huán)境因數(shù)和驅動參數(shù)影響的器件短路安全運行邊界的刻畫方法,旨在深化對新型結構器件行為的理解,彌補器件特性認知與結構發(fā)展之間的差距。論文的主要研究內容如下:首先,建立溝槽柵-場截止型IGBT的數(shù)值仿真模型,實現(xiàn)復雜工況下器件半導體物理層運行機理的精準再現(xiàn)。本文歸納IGBT的特性設計準則,以英飛凌1700V/1000A溝槽柵-場截止型IGBT(FF1000R17IE4)為例,依據(jù)其電參數(shù)指標,實現(xiàn)該款器件幾何尺寸和摻雜特性的反演,進一步建立該款器件的數(shù)值仿真模型并驗證其有效性。基于該模型,不僅可準確再現(xiàn)復雜工況下器件宏觀電氣端口特性的瞬態(tài)變化規(guī)律,同時還可復現(xiàn)器件微觀載流子行為的動態(tài)演進過程,為探究外部環(huán)境參數(shù)-器件宏觀端口特性-器件微觀運行機理-器件結構特征四者之間的交互路徑提供新途徑。其次,建立含器件結構特征的存儲載流子抽取關斷模型,揭示溝槽柵-場截止型器件區(qū)別于傳統(tǒng)平面柵-非穿通型器件的自控制關斷行為。借助器件關斷過程的數(shù)值仿真,探明存儲載流子抽取行為對器件關斷特性的主導作用,提出含器件結構特征的IGBT關斷物理解析模型。在此基礎上,揭示溝槽柵-場截止結構導致的器件自控制關斷行為,表現(xiàn)為出現(xiàn)集電極-發(fā)射極電壓上升率不受關斷電阻影響的盲區(qū),顯著有別于IGBT關斷特性對驅動參數(shù)具有高靈敏度的傳統(tǒng)認知,進而發(fā)現(xiàn)由該特性引起的集電極電流下降率與關斷電阻之間的非單調相關性。進一步探究母線電壓、負載電流及運行結溫對溝槽柵-場截止型器件自控制關斷特性的影響,為復雜工況下器件驅動和保護電路的優(yōu)化設計奠定理論基礎。再次,在明確短路脈沖失效和短路關斷失效是溝槽柵-場截止型IGBT的兩種典型瞬態(tài)短路失效模式的基礎上,揭示母線電壓和短路電流對其本征失效機理的影響,量化避免觸發(fā)這兩種失效模式的器件電壓-電流短路安全運行邊界。借助計及器件短路失穩(wěn)機理的IGBT數(shù)值仿真,分別再現(xiàn)短路脈沖失效和短路關斷失效時的器件半導體微觀層失效演進規(guī)律,揭示短路脈沖階段雙尖峰電場分布特征的形成是引發(fā)短路脈沖失效的前提條件,而器件短路關斷軌跡與靜態(tài)雪崩擊穿曲線負微分電阻區(qū)近似重合的現(xiàn)象是短路關斷失效發(fā)生的先決條件。在此基礎上,探究不同電壓和電流組合下兩種瞬態(tài)短路失效的形成條件,量化避免這兩種失效發(fā)生的器件電壓-電流短路安全運行邊界,克服傳統(tǒng)基于器件自熱效應耐受能力的短路安全工作時間判據(jù)對器件的瞬態(tài)短路故障不具有工程指導意義的不足。隨后,揭示運行結溫、關斷電阻及寄生電感對器件短路脈沖失效和短路關斷失效的影響,建立計及外部環(huán)境參數(shù)影響的器件三維短路安全工作區(qū)模型。通過計及器件短路失穩(wěn)機理的數(shù)值仿真模型和含雪崩倍增效應的器件短路關斷模型,分別再現(xiàn)短路脈沖失效和短路關斷失效與運行結溫、關斷電阻及寄生電感之間的相關性,建立含外部環(huán)境參數(shù)的器件三維短路安全工作區(qū)模型,量化運行結溫、關斷電阻及寄生電感對器件電壓-電流短路安全運行邊界的影響,為極限工況下器件短路耐受能力評估提供理論依據(jù)。最后對本文的研究工作進行總結,簡述本文的主要貢獻,并對后續(xù)研究做出展望。
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邋ｍｍｍ邋／邋？一逡逑圖１．１按電壓分布的ＩＧＢＴ代表性應用領域Ｍ逡逑圖１．１給出了按電壓等級劃分的ＩＧＢＴ的主要應用領域［９Ｈ１Ｑ】。ＩＧＢＴ廣泛應用于消費逡逑電子、汽車電子、工業(yè)等傳統(tǒng)產業(yè)和新能源汽車、新能源發(fā)電、電氣化交通、智能電網(wǎng)等逡逑新興產業(yè)。逡逑Ａ．新能源汽車逡逑１逡逑

浙江大學博士論文邐第１章緒論逡逑ＩＧＢＴ在新能源汽車的電氣化進程中發(fā)揮著至關重要的作用，是電動汽車驅動系統(tǒng)及逡逑充電樁的核心部件，占整車成本的近１０％，占充電樁成本的２０％左右［９】。圖１．２為電動汽車逡逑中ＩＧＢＴ的應用示意圖，主要用于電動汽車的主逆變器，實現(xiàn)大功率直流／交流變換之后驅逡逑動電動機，還用于捕獲再生制動能量并回饋給電池組。主逆變器中ＩＧＢＴ的工作電壓范圍逡逑為一般在３００Ｖ至７５０Ｖ，適用的ＩＧＢＴ產品的電壓等級一般為６５０Ｖ至Ｉ２００Ｖ［１１］。逡逑＾邋一邐ｚ邋ｙ＼逡逑（邐＼邐Ｍ邐Ｘ逡逑＼邐Ａ＿＿Ｕ．逡逑Ｗ＾ｎｉＳＢｒ邋６＂．邋■二…Ａ逡逑榦、ｐｉ逡逑ＢＢＨ，邋ＶＩ逡逑圖１．２電動汽車中ＩＧＢＴ的應用示意圖ＰＩ逡逑Ｂ．
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN322.8
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本文編號：2597236