如何开展IGBT和MUR匹配技术的仿真研究和设计

仿真工具和物理模型

计算机仿真分析是半导体器件研究的重要手段。由于其高效、高精度、经济、高可靠性等特点，受到了广泛关注。通过应用仿真技术，可以降低设计成本、缩短设计时间，并提高功率半导体电路的可靠性。

为了研究影响IGBT和MUR匹配的参数， SHYSEMI使用 ISE 仿真软件对 IGBT 和 MUR 的匹配技术进行了仿真研究。主要仿真研究包括以下两个方面：

1）使用不同的MUR和IGBT进行动态特性仿真；

2）基于相同的IGBT和MUR仿真，改变仿真条件，例如改变…… 电路的寄生电感、封装的寄生电容和电感、驱动电阻等。

不同MUR和IGBT的动态特性仿真

MURA参数：

• P+阳极表面掺杂浓度为1.5e16 cm3，结深20 µm；
• N-漂移区浓度为6e13 cm3，厚度为120 µm；
• 表面浓度最高的N+阴极为5e19 cm3，厚度为50 µm；
• 整体寿命控制，电子寿命 1e-7 s，空穴寿命 1.6e-7 s。

MURB参数：

• P+阳极表面掺杂浓度为5e15 cm3，结深6 µm；
• N-漂移区浓度为6e13 cm3，厚度为74 µm，在硅晶片的背面形成缓冲层N'阴极，其中缓冲层的最高浓度为4e16 cm3，厚度为18 µm；
• 表面浓度最高的N+阴极为5e19 cm3，厚度为1 µm；
• 整体寿命控制，电子寿命 7e-7 秒，空穴寿命 7e-7 秒。

仿真电路如图1所示：

图1 IGBT和MUR的仿真电路图

仿真数据如表1所示。根据仿真数据可知，与MURA相比，MURB与IGBT匹配时具有更好的动态特性。因此，在将IGBT与MUR匹配时，必须选择合适的MUR。外部特性包括：额定电压、额定电流、额定频率等；器件参数包括结构、寿命控制、阳极-发射极效率控制等。

在相同的IGBT和MUR仿真基础上，改变了仿真条件。

本仿真利用上述仿真中的MURB模型，考虑了封装和驱动引起的寄生电感、电容和电阻的变化。仿真测试主要包括：

1. 在集电极上增加 13 nH 的寄生电感；
2. 将基极电阻增加到 30 欧姆；
3. 在二极管两端之间增加 40 pF 的寄生电容；
4. 将基极电阻增加到 30 欧姆，并在二极管端子之间增加 40 pF 的寄生电容；
5. 在晶体管端子之间增加 40 pf 的寄生电容，并在基极增加 10 nH 的寄生电感 (f) 在二极管端子之间增加 40 pf 的寄生电容，将基极电阻增加到 25 欧姆，并在基极增加 10 nH 的寄生电感。

表2显示了各方案的电路参数，图2显示了仿真电路。

图2：修改后的仿真方案的电路参数

图 3：IGBT 和 MUR 仿真电路图

仿真数据如表3所示。根据仿真数据，可以得出以下结论：在其他参数保持不变的情况下：

1）根据a和b、c和d、e和f的仿真结果，可以得出结论：增加栅极驱动电阻会增加IGBT的关断时间并增加损耗；

2）通过比较第一次仿真测试和本次仿真测试中的 FRD B 与 a，可以看出，显著增加发射极的封装电感将显著增加 IGBT 的恢复时间和导通损耗；

3）根据c和e的仿真结果可以得出结论，增加基极封装电感会增加IGBT的关断时间并增加关断损耗；

4）从a和c、b和d的仿真数据可以看出，在一定范围内，MUR的寄生电容对IGBT的动态特性影响很小。因此，降低栅极驱动电阻和降低封装寄生电感可以改善IGBT和MUR之间的匹配性能。

表3 改变电路参数后IGBT动态特性的分析

对半导体器件仿真环境的分析能够详细考察器件的结构和各种特性。它还允许建立电路模型或混合模型，以观察器件在电路中的运行情况，这对于器件的动态仿真至关重要。