IGBT动态雪崩电流丝预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种IGBT动态雪崩电流丝预测方法及系统，通过实验获得发生动态雪崩的IGBT集电极

【技术实现步骤摘要】
IGBT动态雪崩电流丝预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及功率半导体器件
，特别是一种IGBT动态雪崩电流丝预测方法及系统。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作为电力电子装置中的核心全控开关器件，结合了功率MOSFET和双极型晶体管的优点，具有易于驱动保护和开关频率高的优点，被广泛应用于各种功率等级的电力电子系统中。目前IGBT物理模型不断发展和完善，现有的IGBT物理模型可以反映参数和IGBT芯片性能的关系，并具有较高的精度。然而这些IGBT物理模型没有考虑IGBT动态雪崩的物理现象。在IGBT的硬关断开关期间，发射极侧的最大电场可能受到局部电荷密度的强烈影响，最大电场可达冲击电离的临界值，会发生动态雪崩现象。这将导致额外的功率损耗和各种可靠性问题，尤其是在感应负载的情况下，问题更加突出。设备的电压和电流越高，这种现象越严重。当动态雪崩效应足够强时，电流灯丝将出现，这是限制设备安全操作区域（SOA）的关键因素。因此，准确表征IGBT芯片由动态雪崩引起的电流丝以及由此产生的电荷和能量是十分有意义的。
[0003]目前的研究中，人们更多地关注IGBT动态雪崩电流丝及其引起的破坏机制。然而，需要注意的是，上述研究的前提是了解器件是否在动态雪崩中工作，以及了解动态雪崩电流丝大小。目前仍然缺乏对IGBT动态雪崩电流丝的准确预测方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种IGBT动态雪崩电流丝预测方法及系统，提高IGBT动态雪崩电流丝预测结果的准确性。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种IGBT动态雪崩电流丝预测方法，包括以下步骤：S1、通过实验获得发生动态雪崩的IGBT集电极
‑
发射极电压关断波形，即第一波形；构建包含动态雪崩分析的IGBT芯片物理模型；S2、利用模拟退火算法调整所述IGBT芯片物理模型的参数，获得使利用所述IGBT芯片物理模型获得的仿真的IGBT集电极
‑
发射极电压关断波形与所述第一波形匹配时的IGBT芯片物理模型，即调整后的IGBT芯片物理模型；S3、利用调整后的IGBT芯片物理模型获得动态雪崩电流丝大小。
[0006]从图7可以看出动态雪崩电流丝的产生会对集电极
‑
发射极电压的斜率产生影响，动态雪崩电流的产生会导致集电极
‑
发射极电压的斜率变小。本专利技术通过IGBT关断的集电极
‑
发射极电压的斜率计算出动态雪崩电流丝的大小，结合IGBT物理模型提高了IGBT动态雪崩电流丝预测结果的准确性。
[0007]步骤S1中，所述包含动态雪崩分析的IGBT芯片物理模型包括存在动态雪崩电流丝的第一元胞模块和无动态雪崩电流丝的第二元胞模块；所述第一元胞模块和第二元胞模块
各包括多个并联的元胞，所述第一元胞模块和第二元胞模块并联，第一元胞模块和第二元胞模块的面积比为S1：S2，其中，S1＜S2。本专利技术引入了元胞属性，由于器件元胞间的差异，实际情况下动态雪崩电流丝往往只存在于部分元胞区域，本专利技术合理考虑了这一点，进一步提高了动态雪崩电流丝预测精度和可靠性。
[0008]本专利技术中，存在动态雪崩电流丝的区域（第一元胞模块）的电流为单个元胞的电流乘此区域内的元胞数，存在动态雪崩电流丝的区域的电压为单个元胞的电压；无动态雪崩电流丝的区域（第二元胞模块）的电流为单个元胞的电流乘此区域内的元胞数，无动态雪崩电流丝的区域的电压为单个元胞的电压。
[0009]步骤S2中，利用模拟退火算法调整所述IGBT芯片物理模型的参数的具体实现过程包括：1）在参数调整范围内随机生成一组初始参数，将该初始参数作为最新参数解和当前参数解；2）判断是否达到接受所述最新参数解的条件，若是，则将该最新参数解更新为当前参数解，将该当前参数解代入所述IGBT芯片物理模型，获得集电极
‑
发射极电压V
CE
波形，即第二波形；对所述第一波形和第二波形以相同的步长进行采样，计算每个采样点的拟合误差，若所述拟合误差小于历史参数解对应的拟合误差，则将该当前参数解设置为最佳参数解，内循环次数加1，进入步骤3）；否则，进入步骤4）；3）判断所述内循环次数是否等于最大内循环次数，若是，则进入步骤4）；否则，返回步骤2）；4）将当前温度更新为当前温度与温度衰减系数的乘积，内循环次数清零，迭代次数加1，进入步骤5）；5）判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若否，则进入步骤6）；否则，进入步骤7）；6）产生新的参数解，将所述新的参数解作为最新参数解，返回步骤2）；若是，则进入步骤7）；其中，新的参数解x1的计算公式为：，，lb为参数的下限，ub为参数的上限，r为0～1的随机数，x0为当前参数解，N为生成的1行nar列服从标准正态分布的随机数矩阵，N
1，j
为N的第1行第j列的值，nar为调整参数的数量，T为当前温度；7）输出最佳参数解，结束。
[0010]本专利技术结合了模拟退火算法，降低了人工成本，提高了方法实施的效率。
[0011]上述步骤2）中，接受所述最新参数解的条件包括条件一或条件二，其中：条件一，最新参数解小于当前参数解；条件二，最新参数解大于或等于当前参数解，且生成的0～1之间的随机数小于Metropolis准则计算的概率；所述Metropolis准则计算的概率p表示为：
；y1为最新参数解对应的拟合误差，y0为当前参数解对应的拟合误差。
[0012]为保证模拟退火算法可靠运行，步骤2）中，拟合误差err的计算公式为：；m是采样点的总数量，V
CES
(k)为第一波形中第k个采样点的集电极
‑
发射极电压，V
CET
(k)为第二波形中第k个采样点的集电极
‑
发射极电压，V
DC
为实验中的直流电源电压。
[0013]本专利技术步骤S3中，动态雪崩电流丝大小I
dynAv
的计算公式为：；其中，，E
’
为调整后的IGBT芯片物理模型中N
‑
基区耗尽层的电场梯度，，N
B
为N
‑
基区掺杂浓度，ε为硅的介电常数，A为IGBT芯片的有源面积，v
sat
为载流子饱和漂移速度，I
p2
为PN结处的空穴电流，W
d2
为调整后的IGBT芯片物理模型中N
‑
基区耗尽层的宽度，，A
i
=1.07
×
106cm
‑1，b
i
=1.65
×
106Vcm
‑1，E0=1.9
×
105Vcm
‑1，，q为单位电子电荷，，K为增益系数，p
x2
为耗尽层边界处载流子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT动态雪崩电流丝预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、通过实验获得发生动态雪崩的IGBT集电极
‑
发射极电压关断波形，即第一波形；构建包含动态雪崩分析的IGBT芯片物理模型；所述包含动态雪崩分析的IGBT芯片物理模型包括存在动态雪崩电流丝的第一元胞模块和无动态雪崩电流丝的第二元胞模块；所述第一元胞模块和第二元胞模块各包括多个并联的元胞，所述第一元胞模块和第二元胞模块并联，第一元胞模块和第二元胞模块的面积比为S1：S2，其中，S1＜S2；S2、利用模拟退火算法调整所述IGBT芯片物理模型的参数，获得使利用所述IGBT芯片物理模型获得的仿真的IGBT集电极
‑
发射极电压关断波形与所述第一波形匹配时的IGBT芯片物理模型，即调整后的IGBT芯片物理模型；S3、利用调整后的IGBT芯片物理模型获得动态雪崩电流丝大小。2.根据权利要求1所述的IGBT动态雪崩电流丝预测方法，其特征在于，步骤S2中，利用模拟退火算法调整所述IGBT芯片物理模型的参数的具体实现过程包括：1）在参数调整范围内随机生成一组初始参数，将该初始参数作为最新参数解和当前参数解；2）判断是否达到接受所述最新参数解的条件，若是，则将该最新参数解更新为当前参数解，将该当前参数解代入所述IGBT芯片物理模型，获得集电极
‑
发射极电压V
CE
波形，即第二波形；对所述第一波形和第二波形以相同的步长进行采样，计算每个采样点的拟合误差，若所述拟合误差小于历史参数解对应的拟合误差，则将该当前参数解设置为最佳参数解，内循环次数加1，进入步骤3）；否则，进入步骤4）；3）判断所述内循环次数是否等于最大内循环次数，若是，则进入步骤4）；否则，返回步骤2）；4）将当前温度更新为当前温度与温度衰减系数的乘积，内循环次数清零，迭代次数加1，进入步骤5）；5）判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若否，则进入步骤6）；否则，进入步骤7）；6）产生新的参数解，将所述新的参数解作为最新参数解，返回步骤2）；若是，则进入步骤7）；其中，新的参数解x1的计算公式为： ， ，lb为参数的下限，ub为参数的上限，r为0～1的随机数，x0为当前参数解，N为生成的1行nar列服从标准正态分布的随机数矩阵，N
1，j
为N的第1行第j列的值，nar为调整参数的数量，T为当前温度；7）输出最佳参数解，结束。3.根据权利要求2所述的IGBT动态雪崩电流丝预测方法，其特征在于，步骤2）中，接受所述最新参数解的条件包括条件一或条件二，其中：条件一，最新参数解小于当前参数解；条件二，最新参数解大于或等于当前参数解，且生成的0～1之间的随机数小于
Metropolis准则计算的概率；所述Metropolis准则计算的概率p表示为：；y1为最新参数解对应的拟合误差，y0为当前参数解对应的拟合误差。4.根据权利要求2所述的IGBT动态雪崩电流丝预测方法，其特征在于，步骤2）中，拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鑫，王岳松，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：