電力電子技術(shù)是國家安全領(lǐng)域和國民經(jīng)濟的重要支撐技術(shù)。它將一種形式的電能高效地轉(zhuǎn)換成另外一種形式的電能,從而滿足應(yīng)用于各種場合。同時,它還是實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和提高國民生活水平的重要技術(shù)手段,在執(zhí)行當(dāng)前國家節(jié)能減排、發(fā)展新能源、實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的基本國策中起著決定性的作用。電子電力技術(shù)中的核心元器件就是功率半導(dǎo)體器件。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作為最重要的功率半導(dǎo)體器件之一,它兼具了高工作頻率和低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點。隨著電能應(yīng)用形式的多樣化,人們對功率器件的要求也越來越高,主要體現(xiàn)在功耗和可靠性兩個方面。對于IGBT等少子功率器件而言,由于動態(tài)功耗與靜態(tài)功率之間需要折中考慮,其主流技術(shù)一般圍繞著優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間的折中關(guān)系。此外,當(dāng)IGBT快速開啟時,其開啟損耗可以降低,但是會產(chǎn)生明顯的電磁干擾（Electromagnetic Interference,EMI）噪聲,因此需要通過改變柵電阻來折中考慮開啟損耗與EMI噪聲二者的矛盾關(guān)系。本文主要工作在于提高IGBT的性能,主要圍繞優(yōu)化導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間的折中關(guān)系,以及優(yōu)化... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：113 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

nIGBT的主要產(chǎn)品。(a)第一代,PT-IGBT;(b)第二代,NPT-IGBT;(c)第三代,FS-IGBT

三代主流IGBT的主要參數(shù)對比如表1-2所示[28],它們主要對集電結(jié)、硅片材料和工藝進行改進和優(yōu)化。超結(jié)(Superjunction,SJ)結(jié)構(gòu)[29]是功率半導(dǎo)體器件最重要的發(fā)明之一。在相同的擊穿電壓下,超結(jié)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)體區(qū)結(jié)構(gòu)具有更短的漂移區(qū)厚度和更高的漂移區(qū)摻雜濃度[30]。陳星弼院士指出,超結(jié)結(jié)構(gòu)不僅可以廣泛地應(yīng)用在多子器件中,而且也可以應(yīng)用在少子器件中[29]。英國劍橋大學(xué)的F.Udrea提出了SJ-IGBT,結(jié)構(gòu)如圖1-9所示[31],其耐壓區(qū)由超結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。他們理論分析和實驗驗證了SJ-IGBT比普通的FS-IGBT具有更好的導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗之間的折中關(guān)系[32-34]。主要原因是:首先,因為漂移區(qū)采用了超結(jié)結(jié)構(gòu),所以漂移區(qū)的壓降可以降低,導(dǎo)通壓降也隨之減小;其次,在關(guān)斷時,因為漂移區(qū)儲存的非平衡載流子總量更小,以及P柱N柱之間相互耗盡,所以關(guān)斷損耗可以明顯地減小。但是,由于P柱與Emitter電極短接在一起,N-pillar/P-pillar結(jié)反偏,因此漂移區(qū)中的電導(dǎo)調(diào)制較弱。

另外一種可以增強SJ-IGBT漂移區(qū)中電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖1-10所示[35-36],其中P柱上方全部為Gate電極。由于P柱完全浮空,這增強了漂移區(qū)內(nèi)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。但是,由于Gate電極在x方向上的寬度的增加,器件的米勒電容也隨之增加。此外,在阻斷態(tài),P柱的電位會隨著VCE的增加而增加,所以柵氧底部拐角處的電場強度增加,進而導(dǎo)致器件提前擊穿。通過優(yōu)化IGBT的體區(qū),IGBT的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷損耗都已經(jīng)顯著地減小了。但是與多子器件MOSFET相比,由于IGBT在關(guān)斷時需要抽取漂移區(qū)的非平衡載流子,因此IGBT存在“電流拖尾”現(xiàn)象,關(guān)斷時間較長,開關(guān)頻率較低。為了進一步地減小拖尾電流,IGBT的集電結(jié)需要優(yōu)化。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
[1]新型RC-IGBT的研究[D]. 朱利恒.電子科技大學(xué) 2014
[2]超結(jié)器件的模型研究及優(yōu)化設(shè)計[D]. 黃海猛.電子科技大學(xué) 2013



本文編號：3144332