[发明专利]一种大功率双极型半导体器件宽基区集总电荷建模方法

说明书

本发明公开了一种大功率双极型半导体器件宽基区集总电荷建模方法。它将宽基区分成宽度相等的n个区域，采用n个集总电荷来分别表示n个区域内的电荷分布，n≥3，根据区域的电荷分布以及电荷运动机理定义漂移电流和扩散电流，通过电流密度方程确定相邻区域之间的空穴电流和电子电流，根据电流连续性方程确定每个区域电荷引起的复合电流，以空穴电流、电子电流和复合电流为基础建立宽基区集总电荷模型。本发明提高了宽基区集总电荷模型的仿真精度，实现对多工况下的大功率双极型半导体器件宽基区内电荷量的准确计算。

技术领域

本发明属于电力电子器件建模及其应用技术领域，具体涉及一种大功率双极型半导体器件宽基区集总电荷建模方法。

背景技术

目前以及可预见的将来，在新能源、电机驱动、航空航天、高铁、舰船推进以及电力传输等需要进行能量变换的领域，都将使用大量的电力电子开关器件。IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等双极型半导体电力电子器件具有功率等级大、易于驱动和保护、开关频率高的优点，具有优异的综合性能。调查研究表明，IGBT功率等级在10kV、300A以上电力电子装置中的市场应用占据了绝对的多数。

我国大功率电力电子器件芯片的设计制造正处于高速发展阶段，工程应用中所需器件正逐步由进口慢慢转向国产化。未来，对于使用IGBT等器件的电力电子器件装置的需求是同时实现高功率密度和高可靠性，高功率密度是减小系统体积和重量的最佳方式，而高可靠性是系统应用的必备条件。目前的做法一般是将设计裕量留得较大，但是这样就造成了整个系统的体积和重量庞大，功率密度不高。高可靠性的要求限制了系统功率密度的提高，而高功率密度的要求又会影响系统可靠性的提高。这种矛盾的出现是由于对IGBT内部工作机理的认识不够准确，对其应用可靠性的研究水平不高，缺乏有效的辅助分析和设计手段，应用设计方法比较粗糙，一般都是采用依靠经验公式的粗放式设计，系统的优化设计水平往往由工程技术人员的个人经验来决定。

为解决这个矛盾，行之有效的途径是开展IGBT等电力电子器件的工作机理和建模仿真研究。现有的IGBT模型根据其建模方法的不同，大致可以分为四类：行为模型，物理模型，数值模型以及混合模型。行为模型因其不能够描述器件内部特性对器件的设计应用指导作用较弱；数值模型精度高但计算量大，且需要厂商提供一些结构参数；混合模型参数较为混杂，通用性不高。物理模型中的物理参数不清晰，数值采用拟合方式来提取，仿真精度低。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种仿真精度高的大功率双极型半导体器件宽基区集总电荷建模方法。

本发明采用的技术方案是：一种大功率双极型半导体器件宽基区集总电荷建模方法，将宽基区分成宽度相等的n个区域，采用n个集总电荷来分别表示n个区域内的电荷分布，n≥3，根据区域的电荷分布以及电荷运动机理定义漂移电流和扩散电流，通过电流密度方程确定相邻区域之间的空穴电流和电子电流，根据电流连续性方程确定每个区域电荷引起的复合电流，以空穴电流、电子电流和复合电流为基础建立宽基区集总电荷模型。

进一步地，每个区域的集总电荷通过以下公式确定：其中，Q_i为i区域的集总电荷，q_p(i-1)＝qAdp_i-1/n，q_pi＝qAdp_i/n，q为单位电荷量，A为半导体器件有效面积，d为宽基区宽度，p_i-1为i-1点处的空穴浓度，p_i为i点处的空穴浓度，i取值为3、4、5……。

进一步地，所述漂移电流公式为：i_drift＝qAμ_pp_i(i+1)E