IGBTInsulated Gate Bi-polar Transistor绝缘栅双极型晶体管是电力电子行业核心的功率器件之一目前已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。典型的应用设备包括在逆变器、变频器、UPS、AC/DC电源、DC/DC电源、OBCon board charging充电单元以及其他家电设备中。近年来随着IGBT半导体生产工艺的不断发展新型IGBT器件朝着更高耐压更大电流以及模块化发展。以电动汽车为例高压快充路线受到越来越多整车OEM的青睐。今年以来国内外越来越多的车企推出了搭载800V高压平台的纯电车型基于高压SiC平台的IGBT得到越来越多的应用。充电效率提升的背后IGBT模块在产品设计阶段技术上的挑战也越来越大。工程师需要考虑多方面的设计指标包括缓冲电路、驱动电路、短路保护、开关波形、杂散电感、均流特性、EMI噪声抑制等。工程师以往主要是借助纯电路仿真对缓冲电路、驱动电路以及开关波形做出判断这种方法的由于很难获得准确的寄生参数从而影响到了仿真精度。达索SIMULIA旗下的CST软件是一款专注于3D电磁场仿真并提供电路、热及结构应力协同仿真的设计软件。CST提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法仿真的频段从DC到GHz。典型应用涵盖了天线/雷达、电磁兼容、高速互连SI/PI、电机驱动系统、场路协同、电磁-温度及温度-形变等不同领域。借助CST强大的3D建模及仿真能力我们创建了完整的 3D IGBT 模型可以获得精确的寄生参数。再加上在CST电路工作室中创建的半桥Buck电路、双脉冲电路的仿真模型获得精确的杂散电感、开关波形、均流波形等结合IGBT数据手册和实际模型对比仿真和计算结果基本一致为产品的可靠设计提供指导。对器件设计厂家及IGBT用户而言该方法有助于理解器件的内部工作机制并为器件的设计优化提供指导。2. IGBT 介绍及工作原理2.1 IGBT 模块介绍IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管是由 BJT(双极型三极管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 它兼有MOSFET 的高输入阻抗和电力晶体管 GTR(Giant Transistor)的低导通压降两方面的优点。GTR 的优点是饱和压降低载流密度大但驱动电流较大MOSFET 的优点是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其主要特点和优势如下1. 高电压承受能力IGBT 能够承受较高的电压通常在几百伏特至数千伏特范围内使其适用于高压应用。2. 高电流承受能力IGBT 能够承受较大的电流通常在几安培至几千安培范围内使其适用于高功率应用。3. 低导通压降IGBT 的导通压降相对较低可以减少功率损耗。4. 快速开关速度IGBT 具有较快的开关速度可以实现高频率开关操作。5. 可靠性高IGBT 具有较高的可靠性和耐久性适用于工业环境中长时间运行。2.2 IGBT 的结构IGBT 模块的剖面图如图一所示如果去掉黑色外壳以及对外的连接端子IGBT 模块内部主要包含 3 个部件散热基板、DBCDirected Bonding Copper基板和硅芯片包含IGBT 芯片和 Diode 芯片其余的主要是焊料层和互连导线用途是将 IGBT 芯片、Diode 芯片、功率端子、控制端子以及 DBC 连接起来。图一IGBT 模块的剖面示意图2.3 IGBT 的工作原理IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 型晶体管它的电路符号和简化等效电路如图二所示。从该等效电路可以清楚地看出IGBT 是用晶体管和 MOSFET 组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为 PNP 型晶体管MOSFET 为 N 沟道场效应晶体管所以这种结构的 IGBT 称为 N 沟道 IGBT其符号为 N-IGBT。类似地还有 P 沟道IGBT即 P- IGBT。图二IGBT 的电路符号与等效电路图3. IGBT 的 3D 建模3.1 器件寄生参数的影响IGBT 作为开关器件其引线电感、分布电容等寄生参数对开关信号会产生较大的影响。引线电感和器件封装 bond wire 走线的长度、线径、PCB走线等相关同时引线和基板及散热板之间也会产生寄生电容。由于这些寄生参数的存在 IGBT 工作时会产生较高频率的 di/dt 和 dv/dt容易产生高频的 EMI 干扰。IGBT 结构上产生的寄生电容有两处图四走线与基板之间绝缘垫片之间产生的寄生电容由于绝缘垫片介电常数较大将产生较大的寄生电容其电容值不能忽略影响负载电流。寄生电容可以看做两极分别是 IGBT 基板和铜排中间介电常数是三氧化二铝绝缘垫片的双极性电容器。其寄生电容 Cp可通过如下计算公式计算得到其中0是真空介电常数它的值等于 8.854187817×10-12F/m为绝缘垫片相对介电 常数A 为绝缘垫片和 IGBT 接触面积d 为基板和铜排间距离即绝缘垫片厚度。由于铜排和绝缘垫片散热片和基板的结构并不为规则的矩形所以通过计算不能准确的得到寄生电容。通过 CST 软件的 3D 仿真计算可以直接得到寄生参数。3.2 IGBT pin 脚介绍及 3D 建模本文所使用的功率器件 IGBT 的元器件型号是 DP700B750T105502根据 IGBT 的datasheet 所示电路架构和引脚图如图五所示一共有 11 个引脚其中引脚 136 为上管的 C 极引脚 7 为上管的 G 极引脚 89 为下管的 E 极同时为下管的 C 极引脚 11 为下管的 G 极引脚 210 为下管的 E 极另外 4 和 5 引脚是热敏电阻的两端。图五电路和引脚图在建模之前需要对 IGBT 模块进行拆解溶解掉上方的非金属结构内部的铜线完全暴露出来如图六所示。IGBT 模块内部大量采用铜材料其电导率s5.8×107s/m 磁导率m4p×10-7H/m。图六IGBT 的解刨图根据 IGBT 的解刨图观察它的 Layout以及通过万用表去测量 IGBT 铜皮和铜线的通断可以确认此 IGBT 模块的上桥和下桥分别为 4 个 IGBT bare die 的并联以及每一个IGBT bare die 都同样并联一个 diode bare die。另外上下桥的 IGBT bare diediode bare die上下桥的 IGBT 的 C 级和 E 极之间的连接都是通过四根材料为铜的绑定线去焊接的。如图七图七IGBT 的 3D 模型顶视图根据实际模型测量出的 IGBT bare diediode bare dieDBC绝缘层和基板的尺寸以及它们之间的间距在 CST 的微波工作室完成 3D 建模。模块一共分为 6 层从上到下分别为铜层硅片DBC 上铜层绝缘层DBC 下铜层基板它们的材质分别为铜硅铜氮化铝铜铜基板如图八所示图八IGBT 的 3D 模型侧面视图其中铜层和基板的铜材料设置直接调用 CST 材料库绝缘材料硅和氮化铝使用自定义材料设置好介电常数IGBT 的引脚使用 PEC 材料PEC 材料是导电率无穷大的理想导体。这样就完成了 IGBT 的 3D 建模。寄生参数提取仿真寄生参数的提取仿真CST 提供了两种方法。第一种方法可以通过 CST 低频工作室的Partial_RLC 求解器计算获得。第二种方法可以通过 CST 微波工作室计算提取获得本文所述的寄生参数提取方法采用后者微波工作室仿真第二种方法。具体设置如下首先在需要提取寄生参数的模型两端设置离散端口如图九和图十所示每个端口对地之间设置离散端口。图九离散端口的建立图十离散端口的建立的细节由 CST 微波工作室提取的 IGBT bare die 的寄生参数如表 1表 1仿真提取的寄生参数提取4. IGBT Buck 电路仿真4.1 Buck 电路仿真4.1.1 Buck 电路原理通过使用 IGBT 模块设计组成的半桥 Buck 电路来验证下这个 IGBT 模块的。Buck 电路又称降压电路其基本特征是 DC-DC 转换电路输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的输出电流为连续的。Buck 电路原理是通过控制开关管的导通时间来实现电压的降低。半桥 Buck 电路利用电感储能和电容滤波的方式将输入电压转换为所需的输出电压。当上管导通下管关闭时电感储能此时电感上的电流增大而输出电压维持在正常范围。当上管关闭下管导通时电感释放储能电流通过下管和地形成的回路回流。同时电容器对电流进行滤波是输出电压保持稳定。图十一半桥 Buck 电路拓扑4.1.2 利用 CST 构建 Buck 电路的 3D 建模首先需要把 IGBT 模块导入到微波工作室中对于电磁仿真来说一般需要在模型的正下方建立一个 0 电位的导体平面也就是公共地平面所以在 IGBT 模块正下方建立一大块金属平面材料为 PEC也就是理想导体。然后将电路中所需要的端口和元器件模型连接起来端口和元器件主要是电源端和负载端都是对大地建立离散端口。驱动端对参考地建立离散端口IGBT 和 diode 也用离散端口设置。最后设置电磁仿真基本设置仿真频率宽度边界条件背景材料求解器等。Buck 电路 3D 建模如图十二所示图十二半桥降压电路图4.1.3 Buck 电路模型的建立根据 Buck 电路的拓扑结构在 CST 电路工作室中将各个所需的元器件模块连接在一起如图十三所示上下桥的 IGBT 和 diodeS 参数模型滤波电容驱动端电路以及负载和电源等。IGBT bare die 和 diode bare die 采用 IGBT 广商官网提供的 Spice 模型导入。图十三电路模型的建立4.1.4 驱动信号及仿真模型参数确定仿真的基本输入参数PWM 驱动信号频率为 10kHz固定 43%的占空比死区时间2us。根据上述公式计算输出电压为 172V设定输出电流 28.6A。电感滤波电流取电感平均电流 0.3 倍输出电压纹波不能大于输出电压的 1%。通过电感计算公式计算4.1.5 Buck 电路仿真结果驱动信号如图十四,占空比为 43%图十四驱动信号输出电压如图十五所示电压 RMS 值为 169V电压纹波 1.2V。图十五输出电压和纹波电压得结果输出电流如图十六所示电流 RMS 值为 28.1A。图十六输出电流结果IGBT 并联均流如图十七和图十八所示图十七上管各通道电流图十八下管各通道电流4.2 IGBT 双脉冲电路仿真4.2.1 双脉冲测试意义和目的双脉冲测试的意义是考量开关管在实际电路中的实际表现评估开关管固有参数是否满足设计需求如反向恢复电流电压关断尖峰开通关断时间。双脉冲测试的目的是1对比不同的开关管的参数测量各项动态参数。2评估功率 MOS 驱动电阻的阻值是否合适。3功率 MOS 开关信号是否有不正常的震荡,电压尖峰是否超过耐压裕值。4计算回路杂散电感。5评估二极管的反向恢复行为和安全裕量。4.2.2 双脉冲测试电路的拓扑结构双脉冲电路的拓扑结构如图十九所示上管两端并接一个电感。通常以半桥电路的形式测试将上管持续关断下管驱动信号给定两个脉冲信号从而测试下管的开关特性。这里主要测试的就是下管的特性以及上管的反向二极管特性。图十九双脉冲测试电路的拓扑结构4.2.3 双脉冲仿真 3D 建模双脉冲仿真的 3D 建模如图二十所示通过 CST 的微波工作室建立测试电感的 3D 模型模型尺寸需要跟实际线圈的尺寸匝数材料一致这样才能设计出跟实际线圈电感值相近的测试线圈。线圈两端分别和 IGBT 电源端和相极连接就可以进行双脉冲仿真了。本仿真本质上还是一个电路仿真不需要考虑电磁的影响所以其实也可以用离散端口代替在 DS 工作室里面设置固定电感值来代替。图二十双脉冲仿真 3D 模型4.2.4 双脉冲仿真结果双脉冲测试实测结果波形如图二十一所示图二十一双脉冲实测结果其中蓝色信号波形是 Vge 驱动信号天蓝色信号波形是 Vds 信号红色信号波形是母线电流。从实测波形图中可知Vds 的过冲电压最大为 625V母线电流最大电流值为 1.04kA。驱动信号 Vge 的 Vh 为 15VVl 为-5V。脉冲宽度为 8us。脉冲的上升沿时间为 2us。在 CST 的 DS 工作室建立好电路模型激励源应用电压 Vh 为 15VVl 为-5V脉宽和信号上升沿时间分别为为 8us 和 2us 的脉冲信号。IGBT 模块双脉冲仿真结果母线电路如如图二十二所示最大电流为 1000A Vds 波形如图二十三所示Vds 过冲电压最大值 630VVge 驱动信号如图二十四所示脉宽8us信号上升沿时间 2us。图二十二母线电流仿真波形图二十三Vds 仿真波形图二十四Vge 驱动信号仿真波形5. 总结本文不但叙述了 IGBT 模块的内部结构材料设置和工作原理和半桥 Buck 电路和双脉冲测试电路的拓扑结构和电路设计原理而且详细讲述了 IGBT 模块建模和仿真的过程和 RLC 寄生参数的提取以及双脉冲仿真的测试原理建模过程和仿真结果。通过 CST 微波工作室进行 IGBT 模块的 3D 建模建立半桥 Buck 电路和双脉冲电路来进行场路结合的电路仿真。最终得到的仿真结果与实际理论计算的结果相符合满足设计需求充分的验证了 CST 软件对 IGBT 建模的准确性和可靠性。由于 IGBT 和 Diode 的 Spice 模型使用的厂商提供的官方模型。所以 IGBT 模块的各种电气参数和规格都取自于实际的 IGBT 模块这更增加了我们仿真的准确性。这也为高压电驱动的 CST 电磁兼容性建模和仿真提供了很好的依据和参考。【相关内容】CST低频频域求解器可以用场路协同吗专家解答CST软件屏效仿真一——通风孔屏效仿CST电磁仿真中天线仿真匹配不好能否加匹配电路调和驻波