单芯片双门极双向igbt的分析与优化电气工程专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 单芯片双门极双向IGBT的分析与优化摘 单芯片双门极双向IGBT的分析与优化 摘 要 随着电力电子技术的进步，人们对功率半导体器件的要求不再仅仅是性能指 标上的进一步优化，还希望器件能够有更加灵活的控制特性。以近年来受到广泛 关注的矩阵变换器为例，这种新型的交流电力变换器具有十分理想的电学特性。 然而，由于具有复杂的数学模型，矩阵变换器对其采用的开关单元提出了更高的 要求一双向功率控制能力。 在这样的背景下，人们提出了单芯片双门极双向IGBT(BD—IGBT)的概念， 并且通过仿真和实验验证了器件的功能。到目前为止，人们一般采用硅片直接键 合或是双面工艺进行双向IGBT芯片的研制。从芯片结构来看，这类器件可以直 接取代由单功率流向的IGBT组成的双向开关，极大地缩减装置的成本，减小电 路的杂散参数。然而，由于在单芯片上集成了两个门极，在不同的门极偏置组合 下，双向IGBT会表现出不同的工作模式，带来比一般的IGBT更为复杂的控制 问题。而交流变换器中现有的控制方法基本上都是针对传统组合式开关提出的， 并不一定适用于双向IGBT。 本文利用基于物理的仿真软件ISE．TCAD建立了双向IGBT的器件模型。在 此基础上，本文详细讨论了双向IGBT的器件特性，总结出了双向IGBT的四种 工作模式。此外，本文讨论了漂移区载流子寿命、P阱区掺杂浓度及栅极结构对 双向IGBT导通压降与关断损耗的影响，并据此对双向IGBT的结构进行了优化， 有效降低了器件的功率损耗。 继而，文章以矩阵变换器作为具体应用场合，研究这种新型双向开关在交流 变换器中表现出来的性能，通过基于物理的数值仿真和实验数据分析比较了双向 IGBT和传统组合式开关在不同换流策略下的功耗。分析结果表明，采用双向IGBT 后，矩阵变换器的性能得到了提高。此外，在基于双向IGBT的三相．三相矩阵变 换器中采用本文提出的新型变步长电压型四步换流策略后，装置的功率损耗比采 用传统组合式开关的电路降低了18％，效率提高了0．6％。分析表明，采用双向 IGBT可以有效减少交流变换器中电力电子开关的数目，提高装置的效率。故而， 双向IGBT具备良好的应用前景。 关键词：双向开关；单芯片双向IGBT；矩阵变换器；四步换流策略；功率损耗 万方数据 万方数据 硕士学位论文Abstract 硕士学位论文 Abstract With the development of power electronics，industrial manufacture require the new semiconductor devices to have more flexible controllability．For example，the matrix converter has been studied for three decades because of its many unique advantages．However, its market acceptance is seriously limited by the lack of true bidirectional power semiconductor swishes，which are capable of blocking voltage and conducting current in both directions． A concept of monolithic dual-gate bidirectional IGBTs(BD-IGBTs)was initially proposed by Nakagawa in 1 988 with simulmion results demonstrating superior performance． It Can be manufactured by bonding two IGBT chips back to back or proceeding the same processing on the top and bosom sides of one single chip．This kind of bidirectional device Can replace the bidirectional combo switch in ac converters，greatly reducing the component cost and stray parameters．However,depending on the two gate biasing voltages and the conduction current level，a BD-IGBT Can