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IGBT 开态的两种模型1.M0SFET/P-i-N 模型分析IGBT 开态特性的一种简单模型就是将IGBT 看作是P-i-N 二极管与MOSFET 串联。
为了一维分析简单，N-A 处传输到MOSFET中。
加很大的正栅压来使得 IGBT 工作于线性区，从而在栅极下方产生了电子积累层。
开态 电流流动时，电子通过沟道到达积累层可以看成是对 N-base 区的电子注入。
同时 P+集电极向N-区进行高水平注入空穴。
在栅极下方部分的电子、空穴分布如下图所示。
Oxide \ ,Accumulation L^y^r JiG ；JI N -P*!c J--------------------------------- ―►*! E1P1JCarrierL /Densityi(Logi i ScaledN D 1 i ——! % ni、 --n op+n2dMOSFET■cCollector㈣Emitter■Gats 4RectiTitr已知P-i-N 二极管的正向导通压降为:时，P-i-N 二极管对导通压降的大小约为1V ( J e =100 A/cm 2 )。
变换后写为J e工作在线性区时， MOSFET 沟道上的压降为:V F，MOSFET =I C R C H = J e PZR eHlicOXflv T因此IGBT 工作于线性区时的导通压降为:出现V Knee第一项占主导，此时IGBT 结构的集电极电流随集电极电压增加而指数增加；当较大的集电 极电流密度下时，第二项占主导，相当于一个电阻与P-i-N 二极管串联。
漂移区中你山)=蛙*-2C 寫胃，其中 d=l w N 。
2 NVF ,PiN斗__Iq ]2qD a mF(d/L a )J e d。
当L a = 1W N 时可以得到最小的导通压降。
开态4qD a 土 F,PiN /2kTV F T1ZJ e W NpJe L CH，其图像如下图。
U C VCollector BiM \ olligc Q J I %)N461J24 <」sHSJ 匕—■-HtMMe ■n(y)二 p(y)•HL J C cosh(y/l_a ) 2qL a _sinh(d/L a )sin h(y/L a ) 2cosh(d/L a )，其中 d=-W N 。
现代电力电子技术IGBT建模与仿真一、IGBT结构及工作原理自上世纪80年代绝缘栅双极型晶体管（IGBT）问世以来，逐渐取代了晶闸管和功率MOSFET等器件，在中频、中等功率变流领域获得了广泛的应用。
IGBT 克服了功率MOSFET高通态损耗的特性，同时保持了MOSFET门极电压驱动的优点。
IGBT是一种PNPN四层结构的器件，其结构剖面图和等效电路如图（1）所示。
(a) 剖面图(b) 达林顿等效结构图(1)IGBT结构剖面图及等效电路由图（1）（b）可知，IGBT相当于一个MOSFET和一个BJT的混合电路。
当在其栅极施加一个足够大的正向电压时，MOSFET内部将形成沟道，为晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。
此时由于P+区的空穴注入到N-区产生电导调制效应，能够减小N-区的电阻，从而使IGBT具有较小的通态压降。
二、IGBT工作特性IGBT的工作特性分为静态特性和动态特性两种。
(1)静态特性静态特性描述了稳态情况下IGBT的电流与电压关系，最常用的是其伏安特性和转移特性。
伏安特性指的是在不同的Vge下，Ice与Vce之间的关系，如图（2）左图所示。
转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压Uge之间的关系，如图（2）右图所示。
图(2)IGBT的静态特性(2)动态特性动态特性描述了开关过程中IGBT的电压电流随时间变化的关系，分为开通特性和关断特性。
(a)开通过程 (b)关断过程图(3)IGBT的动态特性在开通过程中有两点值得关注：一是电流Ic上升率较快时，快恢复二极管的反向恢复电流将导致Ic出现尖峰，这一尖峰会引起电磁干扰等问题；二是寄生电容Cgc导致Miller效应，使Vge出现Miller平台，增加开通损耗。
在关断过程中，Cgc的分流作用使得在Vce下降过程中同样会出现Miller 平台，增加关断损耗。
此外电流下降过程中，二极管偏置导通将引起电压过冲，导致电磁干扰问题。
由于MOSFET快速关断，PNP双极管中存储的电荷不能及时释放，关断过程中还会有一个较长的拖尾电流，也增加了关断损耗。
IGBT热仿真建模分析IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种常用的功率半导体器件，其拥有低开通电压、高阻断电压和高电流能力的优点，因此在电力电子领域广泛应用。
热仿真建模分析是对IGBT进行电热特性模拟和分析的方法，本文将对IGBT热仿真建模分析进行探讨。
首先，IGBT的热仿真建模分析是基于热传导方程和瞬态热特性来进行的。
热传导方程描述了功率半导体器件内部的热传导过程，而瞬态热特性则描述了器件在瞬态工作条件下的温度变化过程。
在进行IGBT的热仿真建模分析时，首先需要确定模型的几何结构。
IGBT的结构包括导电层、绝缘层、衬底以及金属电极，这些结构在热仿真中需要被建立为相应的热传导模型。
其次，在建立热仿真模型时，需要确定IGBT的材料参数和边界条件。
材料参数包括导电层和绝缘层的热导率、热容以及密度等，而边界条件则包括器件的热界面温度和散热条件等。
然后，根据所选取的热传导模型和边界条件，利用热传导方程进行热仿真计算。
热传导方程是一个偏微分方程，其解可通过有限元方法或其他数值求解方法获得。
在进行瞬态热仿真时，需要考虑器件在工作过程中的瞬态功耗和瞬态散热等因素。
最后，根据热仿真分析的结果，可以得到IGBT的温度分布、温升和热耗散等信息。
这些结果可以用于评估器件的热稳定性、散热设计和寿命预测等方面。
总结起来，IGBT热仿真建模分析是一种对该功率半导体器件进行电热特性模拟和分析的方法，主要涉及到几何结构建模、材料参数确定、热传导方程求解以及结果分析等步骤。
通过热仿真建模分析，可以更好地了解IGBT的热特性，为器件的设计和应用提供参考依据。
I. IGBT器件模型的研究背景：实时仿真已经在汽车，航天，电子和机械制造中得到了广泛的应用，其中一个应用最广泛的就是硬件在回路。
在电压型变流器的仿真中，IGBT的建模是一个很关键的问题。
特别是模型要考虑到非线性的开关特性，电感损耗和反并联二极管的回复特性。
IGBT的离线仿真模型可以划归为两类：系统级和器件级。
系统级的仿真模型主要包含的是电力电子期间的一些如关断电压，电流谐波等电气特性，如在MATLAB/SIMULINK等软件使用的模型。
这些工具利用有限元数值计算如梯形积分公式，建立器件常用的离散模型。
通常可以分为以下几个开关模型：1.理想模型；2.开关函数模型；3.平均模型。
所有三种模型在实时仿真中都有使用，并且通过一些算法在DSP和PC机上实现，如通过自动预测下变流器下一状态来减小仿真时间。
虽然，系统级的模型仿真速度比较快，但是反应器件的非线性不够准确。
器件级的模型中，主要内容包括开关的暂态特性，功率损耗，和器件的发热特性。
SABER和SPICE系列软件都是通过有限元数值计算如Newton--Raphson 或者Katzenelson方法来实现器件的非线性特性。
器件级的模型十分全面，但是仿真时间较长。
通常可以划分为一下三个模型：1.分析模型；2.经验模型；3.有限元数值模型。
这三种模型由于计算复杂，没有一种运用到实时仿真中。
其中，分析模型是基于器件描述载流子动态的半导体物理特性。
在这种模型中，最具代表的是Hefner模型和Kraus模型，并且已经在SABER和SPICE中所使用。
在动作模型中，IGBT的相关开关特性通过不同的方法表示出来，并且这种方法已经在离线的仿真工具EMTP中比较准确的使用。
但是，为了能够在传统的DSP 上使用，这种模型仍然需要更小的仿真步长。
II. 系统级的仿真模型2.1理想模型引用来自论文：Behavior-Mode Simulation of Power Electronic Circuits图1. IGBT的伏安特性曲线图2. IGBT 的理想开关状态比如，对于三相逆变器来说 +-V dci a135图3. 三相逆变器电路拓扑三相电压型逆变器结构如图3中所示，由6支IGBT 及其反并联二极管构成，引入A ，B ，C 桥臂的开关变量a S 、b S 、c S （1i S =表示上桥臂导通，0i S =表示该下桥臂导通，i=a,b,c ）。
IGBT究竟是什么？看完这篇你就明白了（附：IGBT的设计及仿真验证PPT）2017-04-09近日CCTV2《经济半小时》做了中国芯生存状态系列报道，其中一期谈到了中国IGBT的进展，我们姑且不谈我国IGBT目前究竟是否超过了美欧日，我们只谈谈技术，为大家普及一下究竟什么是IGBT，对于已经熟悉或从事IGBT设计的同学可以直接看后半部分 IGBT的设计及仿真验证PPT 。
(本文由EETOP在2015年12月17日首发，作者：芯苑网小桂，现在再次发给大家）大功率器件-《从PowerMOS到IGBT》电的发现是人类历史的革命，由它产生的动能每天都在源源不断的释放，人对电的需求不亚于人类世界的氧气，如果没有电，人类的文明还会在黑暗中探索。
然而在电力电子里面，最重要的一个元件就是IGBT。
没有IGBT就不会有高铁的便捷生活。
一说起IGBT，半导体制造的人都以为不就是一个分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。
然而他和28nm/16nm集成电路制造一样，是国家“02专项”的重点扶持项目，这玩意是现在目前功率电子器件里技术最先进的产品，已经全面取代了传统的Power MOSFET，其应用非常广泛，小到家电、大到飞机、舰船、交通、电网等战略性产业，被称为电力电子行业里的“CPU”，长期以来，该产品（包括芯片）还是被垄断在少数IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期间国家16个重大技术突破专项中的第二位（简称“02专项”）。
究竟IGBT是何方神圣？让我们一起来学习它的理论吧。
1、何为IGBT？IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管。
奇怪吧，它到底是MOSFET还是BJT？其实都不是又都是。
不绕圈子了，他就是MOSFET和BJT的组合体。
我在前面讲MOSFET和BJT的时候提到过他们的优缺点，MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。
基于Simplorer的IGBT模块建模与仿真一、IGBT模块建模过程,以英飞凌IGBT模块FF400R06KE3为例1、选取高级模型，如图1.图12、根据IGBT数据手册查找相对应的参数,具体参数如图2所示。
该模块包含两个单管，所以单个IGBT正常工作电压为300V.图2 3、同样查找、填写参数，如图3.图34、提取文档中Ic=f（Vge）的图片,分别提取25℃、150℃的对应关系。
图4图5 Ic=f（Vge)拟合曲线与文档曲线对比图5、提取文档中Ic=f(Vce)的图片，分别取Vge为13V、15V。
图6图7 Ic=f（Vce）拟合曲线与文档曲线对比图6、提取文档中If=f（Vf)的图片，分别提取25℃、150℃的对应关系图8图9 If=f(Vf)拟合曲线与文档曲线对比图7、隔热设置图108、在文档中找到对应参数填入，执行后生成测试电路,如图11—13。
图11图12图13二、 IGBT模块 FF400R06KE3模型的电路测试与应用仿真1、自动生成的测试电路如图14所示，仿真时间设置如图15.图14图15图16 栅级驱动波形图17 Vce电压图18 开通过程IGBT过电流波形测试波形证明设计的IGBT符合使用要求，并且工作良好，满足快速性的动态要求，而且可以突出管子内部寄生电感电容参数对开关过程的影响。
可以从二次开通的过电流看出。
同时,在12us的时刻IGBT关断过程中的电流拖尾现象可以很早地被仿真出来。
2、IGBT双脉冲测试电路如图18所示。
其中电源电压设置为100V。
t0时，门极电压拉高，VT2饱和导通，电源电压加到电感上，电感电流线形上升,如图21所示。
T1时刻，VT2关断电感电流通过上管二极管续流。
T2时刻，第二个脉冲到达，VT2开通，VT2续流二极管出现反向恢复,如图22所示，t2时出现了一个大约为1A的电流尖峰即为反向恢复电流。
其中t0与t2时刻，观察IGBT的关断过程，由于杂散电感的存在，电流急剧变化会在管子产生电压尖峰。
电力自动化设备Electric Power Automation Equipment Vol．33No．1 Jan.2013第33卷第1期2013年1月0引言近年来，绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）因其不断改善的电压、电流承受能力和工作频率、功率损耗等性能指标而被广泛应用到机车牵引、开关电源、新能源发电等电能变换和处理领域中［1］，因此IGBT的可靠性受到国内外科研工作者的广泛关注。
研究表明，与IGBT器件结温（T j）相关的热循环过程和器件封装材料热膨胀系数不一致是致其故障的主要诱因［2-3］，IGBT的电热仿真模型可以估计结温的变化情况，从而可用于IGBT可靠性的评估。
国内外对IGBT的电热仿真模型开展了大量研究工作［4-6］，其中基于半导体物理并考虑自热效应（Self-heating）的IGBT A.R.Hefner器件模型［6］和反映其封装传热过程的Cauer网络［7-9］联合组成的IGBT 电热模型准确度较高，并已在Saber、Pspice等电路仿真软件中得到应用［10-11］，但是，仿真软件有限的器件模型库无法满足仿真需要，同时出于技术保密的缘故，半导体制造商并不会提供建立电热模型需要的模型参数，因此如何建立一种有效并准确的参数提取方法就显得十分必要。
IGBT电热仿真模型参数同半导体物理、器件以及封装结构直接相关，无法直接测量，只能通过一定的技术方法和手段获取。
一个有效的参数提取过程是获得有效的电热模型的前提条件；此外，实现模型参数的准确提取对于分析IGBT的性能、优化驱动电路的设计、指导其应用以及选型都具有重要意义。
在参数提取之后，有效性验证也至关重要，可以让使用者合理选择器件的工作范围。
由于非穿通（NPT）型IGBT目前在工业领域中已获得了广泛而成熟的应用［12］，本文将以其作为参数提取的研究对象。
本文从NPT型IGBT电热仿真模型的工作原理出发，首先将模型参数分为电参数和热参数两大类。
