基于PSpice的IGBT擎住效应的仿真的有效性分析
基于PSpice的IGBT擎住效应的仿真的有效性分析 电力电子技术是一门高科技专业技术基础课程。经过近 二三十年的飞速发展，电力电子装置已经广泛应用于国民经 济的各个领域。随着我国经济的发展和科技的进步，将深化 对传统电力工业和传统产业的节能降耗改造，电力电子技术 必将起到更加重要的作用。以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技 术的基础，器件的更新换代决定了电力电子电路水平，从而 决定电力电子装置性能；
新器件和新控制方法不断出现，促 进了电力电子技术的发展。所以，在教学时应根据电力电子 技术的最新前沿发展，对教学内容进行组织和筛选，加强电 力半导体器件知识、基本电路分析方法以及实用电路等的学 习，做到理论与实际密切结合。
1 IGBT的物理结构与工作原理 1.1 物理结构 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅 双极型晶体管，是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效 应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， 兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管（GTR）的低导通压 降两方面优点[1]。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电 流较大；
MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大， 载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小 而饱和压降低。它作为一种新型电力电子器件，在国民经济领域的应用越来越广泛，已经成为最重要的器件之一。
IGBT的元胞结构[2]与VDMOS相类似，其不同点在于IGBT 是在N沟道VDMOS的N+基板（即VDMOS的漏极）上增加了一个 P+基板作为IGBT的集电极，形成PN结J1，由此引出的栅极和 源极则与VDMOS完全相同（如图1所示）。P+区又称为漏注入 区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，起集电极 的作用，向N+区注入空穴，进行电导调制，以降低器件的通 态压降。使得高耐压的IGBT同时也拥有较低的通态压降，具 有很强的通流能力；
断态时，只有很小的泄漏电流存在。
衬底到发射极构成一个PNP型晶体管，其基极到发射极 由NMOS管控制。如果在栅极加上开启电压，形成N导电沟道， 就可向PNP晶体管提供基极电流，PNP管发射极P+区按比例向 N-区注入空穴，形成IGBT的集电极电流。IGBT可以等效为 NMOS与PNP晶体管构成的达林顿结构[3]。另外，该结构里还 寄生着一个NPN型晶体管，即以N+区为发射极，P井区为基极， N漂移区为集电极。位于发射极之下的P井区的电阻被称为P 井区横向电阻Rs，Rs的存在是引发擎住效应最重要的原因。
这个寄生的NPN型晶体管与前面的PNP型晶体管一起构成了 一个晶闸管结构（如图2所示）。
1.2 工作原理 1.2.1 反向阻断 当集电极被施加一个反向电压，PN结J1（内部PNP管的 发射结）反偏，耗尽层向N-区扩展，此时，IGBT处于反向阻断工作模式，并且具有较高的耐压能力。
1.2.2 关断/正向阻断 当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被 禁止，没有空穴注入N-区内，IGBT处于关断模式。如果此时 栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压，PN结J2 反偏。此时，IGBT处于正向阻断工作模式，仍然是由N-漂移 区中的耗尽层承受外部施加的电压。
1.2.3 导通 当集电极施加正向电压，且栅压高于门限值时，IGBT栅 极下方的P井区形成一个N型导电沟道，将N-漂移区与IGBT的 发射极下方的N+区连起来。大量的电子通过导电沟道从发射 极注入N-漂移区，成为内部PNP型晶体管的基极电流，同时 也会降低N-漂移区的电位，由于J1结正偏，大量的空穴由P+ 注入区漂移到N-漂移区。注入N-漂移区的空穴通过漂移和扩 散两种方式通过漂移区，最后到达P井区。当空穴进入P井区 以后，吸引了大量来自发射极接触的金属的电子，这些电子 注入P井区，并迅速与空穴复合，形成器件的导通电流，IGBT 处于正向导通状态。
2 擎住效应 如图2所示，NPN晶体管的基极与发射极之间存在着P井 区横向电阻Rs，P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生 压降，相当于对J3结施加一个正向偏压。在额定集电极电流 范围内，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增 大，造成器件功耗过高而损坏。这种电流失控的现象，就像 普通晶闸管被触发以后，即使撤销触发信号晶闸管仍然因进 入正反馈过程而维持导通的机理一样，因此被称为擎住效应 或自锁效应[4]。
引发擎住效应的原因，可能是集电极电流过大（静态擎 住效应），也可能是duce/dt过大（动态擎住效应），温度 升高也会加重发生擎住效应的危险。动态擎住效应比静态擎 住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电 极电流实际上是根据动态擎住效应而确定的。
擎住效应的产生必须具备以下两个条件：
（1）触发电流IG在P井区横向电阻Rs上产生的压降大于 NPN管的发射结正向导通压降，即：IGRS≥Vbe（NPN）（Vbe （NPN）为NPN管的发射结正向导通电压）。
（2）两个晶体管NPN和PNP的共基极电流增益之和必须 大于1，在外部触发电流IG消失后，两个等效晶体管过饱和 而自持导通，即：αNPN+αPNP≥1。
当温度升高时，晶体管的电流放大系数增大，将加重 IGBT发生擎住效应的危险。
3 PSpice仿真建模 PSpice能够把仿真与电路原理的设计紧密地结合在一 起，广泛应用于各种电路分析，可以满足电力电子电路动态 仿真的要求[5，6]。其元件模型的特性与实际元件的特性十分相似，因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近，对 电路设计有重要指导意义。
依据上述分析，建立如图3所示的IGBT擎住效应的基于 PSpice10.5的仿真电路模型[5]。其中，N-漂移区的电阻（PNP 晶体管的基极电阻）Rd取典型值0.02 Ω；
P井区横向电阻（寄 生NPN双极型晶体管的基极—发射极之间的电阻）Rs典型值 为几毫欧姆，由于受仿真软件的限制取值为0.015 Ω；
MOSFET 管的栅极控制电压Vpluse为5 V，500 Hz的方波电压。
负载电阻R取值为10 Ω时，利用PSpice的Time Domain 瞬态分析参数仿真，得到如图4所示的仿真波形。此时，电 流I严格地受到栅极电压V的控制：栅极电压为高电平时，电 流约为21 A；
栅极电压为低电平时，电流为0，二者皆为标 准的方波。
负载电阻R取值为1 Ω时的Time Domain瞬态分析参数仿 真波形如图5所示。此时的集电极电流已经超过了允许值， 等效的IGBT电路发生了擎住效应，集电极电流I已经不受栅 极电压控制，只是随栅极电压有小幅的波动。
4 结束语 将计算机仿真技术引入电力电子技术的教学中，具有经 济、安全、快捷等优点，有助于学生从直观、实践等方面更 好地掌握相关的知识，收到事半功倍的效果。教学实践表明， PSpice软件效果很好，而且使用方便、精确度高、功能全面， 是优秀的电力电子仿真软件之一，也是国际国内高校教学中广泛使用的电路仿真软件。
参考文献 [1] S.Huang，F.Udrea，G.A.J.Amaratunga. A comparative investigation of the MCST with MCT and IGBT[J].Solid-State Electronics，2003（47）：1429-1436. [2] 康劲松，陶生桂，王新祺.大功率IGBT直流特性和动 态特性的PSPICE仿真[J].同济大学学报，2002，30（6）：
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