اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

مدل سازی اسپایس پیشرفته ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

چکیده

در این مقاله، یک ترانزیستور دو قطبی گیت عایق ارتقاء یافته (IGBT) بر مبنای مدل Kraus و با گوناگونی های جدید بر اساس یک پارامتر فوق العاده، با قابلیت تزریق p-i-n، به منظور شبیه سازی کانال و ساختارهای DMOS IGBT ارائه شده است. وابستگی دمایی نیز در این مدل مشخص گردیده است. این مدل در مقایسه با برآوردهای حالت ثابت و گذرا با استفاده از یک ماژول ۸۰۰-A 1.7-kV Dynex IGBT با دمای ۲۵ و ۱۲۵ درجه سلسیوس مورد بررسی و اعتبار سنجی قرار گرفته است. مدل Spice همچنین نشان دهنده توافق ممتازی با مود ترکیبی شبیه سازی های MEDICI می باشد.

مدل Spice برای اولین بار اثر تریستور پارازیتی را در نظر گرفته و مدلسازی قفل شدگی یا لچ آپ وابستگی دمایی دینامیکی، همراه با ویژگی dc در ارتباط با ماژول های قدرت و همچنین ایمنی وابستگی دمایی در سطح عملیاتی و مناطق مرتبط را ارائه می نماید.

کلمات کلیدی: مدل ترانزیستور دو قطبی گیت عایق (IGBT)، پی اسپایس (PSPICE)، شبیه سازی کانال IGBT.

اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

۱- مقدمه

صنایع مختلف تاکنون از مدل ترانزیستور دو قطبی گیت عایق Kraus (IGBT) با استفاده از SPICE و Saber سود برده است که علت آن را می توان ارائه یک رابطه متقابل ممتاز بین سرعت و پیچیدگی در شبیه سازی های dc و گذرا خواند. با این وجود، چنین موردی وابستگی دمایی یا تأثیرات خود حرارتی را به حساب نیاورده و هیچ گونه ایمنی مرتبط با وابستگی دمایی در سطح عملیاتی و ارزیابی های مربوطه (SOA) را در نظر نمی گیرد. به علاوه این مورد محدود به IGBTs نوع ـ DMOS می باشد. بنابراین نیاز فزاینده صنعتی برای شبیه سازی ها با استفاده از IGBTهای با سطح مساحت بزرگ، مخصوصاً IGBTها با کانال های خاص، احساس می شود اما در حال حاضر هیچ گونه مدل SPICE یا Saber توانمند و سریعی برای این ساختارها وجود ندارد.

یک مدل IGBT ارتقاء یافته بر مبنای مدل Kraus [1] با توجه به ویژگی های جدید و با قابلیت تزریق p-i-n برای شبیه سازی هر دو ساختار DMOS و ساختار کانال ارائه شده است. نتایج با استفاده از برآوردهای ۱٫۷-kV Dynex و ماژول های IGBT و همچنین شبیه سازی MEDICI مورد بررسی و تأیید قرار گرفته اند. اثر تریستور پارازیتی نیز با توجه به وابستگی دمایی مدل سازی شده است و بنابراین اجازه شبیه سازی SOA با توجه به وابستگی دمایی در SPICE را می دهد.

اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

۲- معادلات بار

الف. فرضیه اصلی در ارتباط با مدل Kraus

شکل ۱ نشان دهنده مدل IGBT Kraus پایه / بیس و زیر مدار بار پایه می باشد [۱]. جریان جمع آوری شده حفره I_pc، جریان الکترون امیتر I_ne، و مقاومت پایه متغیر R_b همگی به وسیله بار پایه Q_b کنترل می شوند. جریان I_nc منوط به ولتاژ آستانه MOSFET و ضریب بهره می باشد که خود در مقابل بازتاب دهنده  ویژگی و  چگالی  گیت  IGBT  به شمار می آید.

جریان اشباع معکوس I_se قابلیت کنترل کارایی تزریق و غلظت حامل در انتهای آند پایه را دارد. در انتهای پایه کاتد، این مدل در یک  حالت  مشخص  دارای  غلظت  حامل  صفر  می باشد [۱].

ب. ویژگی تزریق p-i-n

تأثیر دیود p-i-n به عنوان غلظت افزایش یافته حامل در نزدیکی ناحیه انباشتگی تحت سطح همپوشان گیت ـ به ـ درین تعریف می شود [۲]. لایه های  از ساختار دیود p-i-n، و ترکیب مجدد حامل نزدیک  از تداخل خاصی در خصوص افزایش غلظت حامل در این ناحیه برخوردار می باشند و بنابراین سبب کاهش مقاومت کلی حالت روشن این ابزاره خواهد شد.

بر این مبنا در مرجع [۲] نشان داده شده است که تزریق p-i-n تعامل قابل توجهی با جریان در ساختارهای DMOS داشته و به طور قابل توجهی مسئول مقاومت ـ روشن پایین در سازه های کانال به واسطه سطح انباشتگی بزرگ آنها می باشد. با توجه به آنکه تزریق p-i-n نیازمند تغییر در معادله توزیع بار پایه و در عین حال حفظ سادگی مدل و استواری آن می باشد چنین موردی قابل توجه است.

برای حل معادله نفوذ دو قطبی، با توجه به غلظت حامل غیرصفر در انتهای یک سر کاتد و یکپارچه سازی در پهنای W می توان راه حل مناسبی را برای بار پایه ثابت Q_b0 به شرح ذیل حاصل آورد:

ج. دقت افزایش یافته در یک سطح بزرگ DMOS IGBTs

ویژگی حالت روشن برای یک ماژول Dynex 1.7-kV 800-A DMOS NPT-IGBT با استفاده از مدل اصلی Kraus و معادلات بار p-i-n وزن دار طراحی شده است. این موارد در مقایسه با نتایج حاصله از شبیه سازی MEDICI عددی مدنظر می باشند. ضریب وزنی g از چیدمان استوانه ای سلول IGBT همانگونه که در شکل ۳ نشان داده شده است محاسبه شد.

د. ساختارهای IGBT با کانال منطبق

به منظور نشان دادن تأثیر اثر p-i-n بر روی ویژگی های حالت روشن، یک ساختار کانال پهن مورد بررسی قرار می گیرد. ضریب وزن دار برای یک چارچوب مربعی نوعی به صورت g = 0.97 محاسبه می شود.

اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

۳- وابستگی دمایی

وابستگی دمایی کارایی تزریق، ارائه شده بر حسب جریان I_se در مدل Kraus (شکل ۱) خود حاصل آمده از معادله دیود ایده آل می باشد. وابستگی دمایی طول نفوذ، طول عمر، تحرک و ویژگی ذاتی تراکم حامل سیلیکون در مرجع [۵] ذکر شده است. نتیجه نشان دهنده ویژگی های خطی و دمایی نمایی می باشد:

۴- مدلسازی لچ آپ

یکی از ویژگی های ضروری به منظور ارزیابی ویژگی های خاص مربوط به برنامه های کاربردی اضافه نمودن مدل سازی اثر لچ آپ می باشد. با اصلاح مدل Kraus به منظور شامل نمودن رفتار لچ آپ می توان اقدام به جای دادن ترانزیستور دو قطبی NPN پارازیتی به مدار اصلی با توجه به اتصال امیتر به منبع MOSFET و متعاقباً مجزاسازی از آن از طریق مقاومت سورس و در عین حال قابلیت اتصال کلکتور به طور مستقیم به پایه نمود.

الف. لچ آپ حالت ثابت

این راه حل متشکل از تغییر موقعیت کاتد می باشد به گونه ای که قابلیت تماس با سورس MOSFET به صورت مستقیم همانگونه که در شکل ۹ نشان داده شده است را داشته باشد. مقاومت سورس R_s، به طور ابتدا به ساکن در این مدل جهت به حساب آوردن نقص های کانال MOSFET در نظر گرفته شده است که هم اکنون تحت عنوان مقاومت چاهک ـ p لچ آپ، و با قابلیت ایزوله سازی I_pc، در نظر گرفته شده است. بر این مبنا جریان چاهک خود مسئول پدیده لچ آپ تلقی می شود.

ب. لچ آپ دینامیکی

در مورد عملیات گذرا، دو جزء جریان اصلی در تعامل با لچ آپ نهایی می باشند:

• افزایش I_pc حاصل آمده از یک افزایش a_pnp به هنگامی که جریان گیت I_nc خاموش باشد.

• جریان جایگزینی نیازمند تهی سازی پیوند p_well – n_base در طی فاز خاموش شدگی می باشد.

چنین موردی را می توان از شکل ۹ مشاهده نمود، اصلاح در موقعیت کاتد همچنین اجازه می دهد تا هر دوی این ویژگی ها قابلیت حرکت در امتداد R_s در طی یک دوره گذار را داشته باشند.

ج. نتایج شبیه سازی لچ آپ

استخراج مقدار R_s را می توان در MEDICI از طریق طرح پتانسیل شبه فرمی حفره و جریان I_pc در امتداد لبه تهی p_well اعمال داشت. R_s را همچنین می توان از طریق یکپارچه سازی قابلیت مقاومت سیلیکون در امتداد مسیر جریان در ناحیه تهی نشده p_well تقریب زد. مقدار u_be ولتاژ راه اندازی را می توان از سطوح دوپه این پیوند محاسبه نمود. توجه شود که از آنجایی که R_s حقیقی برای مدل Dynex کمتر از ۱۵۰ mW می باشد، هیچ گونه منحنی لچ آپی را نمی توان شبیه سازی یا اندازه گیری نمود. جهت نشان دادن ویژگی های لچ آپ این مدل در شبیه سازی های SPICE، یک مقدار سطح بالاتر R_s = 10.8 mW مورد استفاده قرار می گیرد. نتایج برای لچ آپ استاتیک و دینامیک در شکل ۶ نشان داده شده اند. آستانه جریان لچ آپ به نظر به صورت ثابت صرف نظر از V_g در شکل ۱۰ (الف) می باشد. لچ آپ در ولتاژهای گیت پایینتر به واسطه افزایش دما را می توان از طریق اضافه نمودن مدار حرارتی در SPICE شبیه سازی کرد. در شکل ۱۰ (ب)، از آنجایی که میزان افت ولتاژ مستقیم کمتر از حد مقدار حالت روشن در نتیجه اثر تریستور می شود، مجموع جریان به صورت آهسته افزایش می یابد.

به طور کلی، این مورد اجازه تحلیل و استخراج اجزای پارازیتی ماژول های IGBT جهت پیش بینی رفتار سوئیچینگ دقیق آنها را خواهد داد.

اسپایس ماژول های پر قدرت ترانزیستور دو قطبی گیت عایق

۵- نتیجه گیری

یک مدل IGBT جدید در این مقاله پیشنهاد شده است. یک پارامتر اضافه g معرف نسبت مساحت لایه ذخیره در برابر مساحت ناحیه فعال در این مبحث جهت به حساب آوردن ضریب منظری IGBT و اثر p-i-n ارائه گردیده است. مدل حاصله قابلیت ارائه ساختارهای کانال و همچنین دقت بالاتر در ارتباط با ساختارهای DMOS را خواهد داشت. وابستگی دمایی نیز در این مدل ارائه شده است. این مدل به منظور شامل سازی اثر تریستور پارازیتی در نظر گرفته شده است که اجازه شبیه سازی های دقیق برای SOAs بایاس مستقیم و اتصال کوتاه را فراهم می آورد.

به طور کلی، این مدل جدید نه تنها قابلیت کسب مزیت از سادگی، سرعت و توانمندی مدل Kraus را دارد، بلکه توان تعامل با اثرات تغییر دما و مدل سازی لچ آپ را نیز خواهد داشت که به عنوان یک ویژگی ضروری برای معیارسنجی های صنعتی ماژول های IGBT محسوب می شود. به علاوه، پاسخ آن به نیازهای صنعتی به عنوان یک راه آسان جهت ارزیابی و یا شبیه سازی حالت روشن، حالت گذرا و منحنی های SOA ماژول های مرتبط نظیر IGBTs و مخصوصاً IGBTs قابل توجه می باشد.