Thermal analytic model of current gain for bipolar junction transistor-bipolar static induction transistor compound device

This paper proposes a thermal analytical model of current gain for bipolar junction transistor-bipolar static induction transistor （BJT-BSIT） compound device in the low current operation. It also proposes a best thermal compensating factor to the compound device that indicates the relationship between the thermal variation rate of current gain and device structure. This is important for the design of compound device to be optimized. Finally, the analytical model is found to be in good agreement with numerical simulation and experimental results. The test results demonstrate that thermal variation rate of current gain is below 10% in 25 ℃-85 ℃ and 20% in -55 ℃-25 ℃.

肖特基结多数载流子积累新型绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是现代功率半导体器件的核心,因其良好的电学特性得到了广泛的应用.本文提出了一种具有肖特基结接触的栅半导体层新型多数载流子积累模式IGBT,并对其进行特性研究和仿真分析.当新型IGBT处于导通状态,栅极施加正向偏压,由于肖特基势垒二极管极低的正向导通压降,使得栅半导体层的电压几乎等于栅极电压,从而能够在漂移区中积累大量的多数载流子电子.除了现有的电子外,这些积累的电子增大了漂移区的电导率,从而显著降低了正向导通压降.因此,打破了传统IGBT正向导通压降受漂移区掺杂浓度的限制.轻掺杂的漂移区可以使新型IGBT具有较高的击穿电压,同时减小了关断过程中器件内部耗尽层电容,因此整体米勒电容减小,提升了关断速度,减小了关断时间和关断损耗.分析结果表明,600 V级别的击穿电压时,新型IGBT的正向导通压降,关断损耗和关断时间相比常规IGBT分别降低了46.2%,52.5%,30%,打破了IGBT中正向导通压降和关断损耗之间的矛盾.此外,新型IGBT具有更高的抗闩锁能力和更大的正偏安全工作区.新型结构的提出满足了未来IGBT器件性能的发展要求,对于功率半导体器件领域具有重大指导意义.

基于注意力机制的CNN-BiLSTM的IGBT剩余使用寿命预测

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)可靠性问题,提出了一种融合卷积神经网络(CNN)、双向长短期记忆(BiLSTM)网络和注意力机制的剩余使用寿命(RUL)预测模型,可用于IGBT的寿命预测。模型中使用CNN提取特征参数,BiLSTM提取时序信息,注意力机制加权处理特征参数。使用IGBT加速老化数据集对提出的模型进行验证。结果表明,对比自回归差分移动平均(ARIMA)、长短期记忆(LSTM)、多层LSTM(Multi-LSTM)、 BiLSTM预测模型,在均方根误差和决定系数等评价指标方面该模型的性能最优。验证了提出的寿命预测模型对IGBT失效预测是有效的。

基于Bo-BiLSTM网络的IGBT老化失效预测方法

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)受热应力冲击后对其进行老化失效预测精度不高的情况,提出一种基于贝叶斯优化(Bo)-双向长短期记忆(BiLSTM)网络的IGBT老化失效预测方法。首先分析IGBT模块老化失效原理,然后基于NASA老化实验数据集建立失效特征数据库,最后利用Matlab软件构造Bo-BiLSTM网络预测失效特征参数数据。选取常用回归预测性能评估指标将长短期记忆(LSTM)网络模型、BiLSTM网络模型与Bo-BiLSTM网络模型的预测结果进行对比分析。结果表明,Bo-BiLSTM网络的模型拟合精度更高,基于Bo-BiLSTM网络的IGBT老化失效预测方法具有较好的预测效果,能够应用于IGBT的失效预测。

基于波形测试的异质结双极型晶体管器件负载失配影响分析

大功率电磁脉冲冲击下,射频集成微系统内部容易产生负载失配问题,严重者可能导致系统失效甚至损毁。采用实时的波形测试方法,对射频器件的负载失配进而导致器件损毁的机理进行了分析。该方法以矢量网络分析仪作为主要测试仪器,结合回波信号注入和相位参考模块获得待测器件实时电压电流波形,进而分析其负载失配影响机制。采用有源负载牵引技术模拟大功率耦合电磁脉冲注入,进行了电压驻波比39∶1的失配测试,大幅提升了测试范围。创新性地采用了谐波信号源注入模拟杂散谐波电磁干扰,评估器件的谐波阻抗失配特性。通过实际异质结双极型晶体管(HBT)器件测试的结果表明,基波的失配会造成负载端电压过大,增加器件的易损性;基波和谐波频率的干扰分量组合使得输出电压瞬态峰值升高,造成器件的损毁。在进行电磁安全防护时,应同时考虑基波和谐波频率的防护。

一种基于开通栅极电压的新型IGBT键合线老化监测方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)的可靠运行是牵引变流器安全和性能的重要保障。键合线老化作为IGBT的一种常见失效模式,对其进行监测具有重要意义。文中提出一种基于开通栅极电压ugem的键合线老化监测方法,该方法可有效避免温度和负载电流带来的影响。首先,基于IGBT等效电路模型,系统分析ugem受键合线断裂影响的原因;其次,利用双脉冲测试进行验证,同时对温度和负载电流带来的影响进行分析;在此基础上,考虑到使用ugem局部特征将受到温度和电流的干扰,提出将开通栅极电压整体波形用于键合线老化的监测,并进一步利用有监督的线性判别分析进行数据降维以及采用支持向量机实现键合线断裂根数的检测。最后,通过实验对所提监测方法的有效性进行验证。

高精度固态调制器绝缘栅双极晶体管驱动电路

加法器式固态调制器是一种使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制储能电容放电来产生脉冲高压的装置,相比传输线型调制器,具有模块化、稳定性好、寿命长等优势。但IGBT的正常工作需要利用栅极驱动电路将控制信号进行放大才能实现,驱动电路的性能直接影响IGBT的开关特性,最终影响脉冲电压质量,尤其是驱动电路的导通抖动指标,这是影响脉冲电压精度的关键因素之一。根据加法器式固态调制器中IGBT的工作特性,以提高脉冲电压精度为目标,对驱动电路进行研究。分析了开关抖动对输出电压精度的影响,介绍了设计原理,研制了驱动电路板,并利用放电模块对其工作性能进行了实验测试。测试结果表明,该款驱动电路的导通抖动为300 ps,相比1 ns的商用驱动电路抖动压缩至1/3,在1 kV充电电压下,放电模块在0.5Ω的负载上放电,形成上升时间为500 ns、导通抖动峰、峰值在5 ns以下的脉冲电压,当发生退饱和故障时,驱动电路能够在4μs时间内关断IGBT,该款驱动电路满足高精度固态调制器的工作要求。

IGBT并联应用均流控制技术综述

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated-gate bipolar transistor)在现代电力电子技术中应用广泛,在某些单个器件性能达不到设计要求的工作场合,IGBT的并联使用成为一种经济可行的方法。多模块IGBT并联应用可以简化电路结构,增大变流器输出功率,提高装置功率密度。IGBT并联应用过程中,器件本体的动、静态特性及结温的差异,驱动电路结构及功率回路不对称性,伴随IGBT长期使用出现的老化或失效等问题,都会引起并联IGBT支路电流的不均衡,影响系统的可靠性和稳定性。对国内外IGBT并联应用所关注的研究热点进行了调研分析,总结了IGBT并联动、静态电流不均衡产生的原理及影响,分析了电流均衡控制原理的差异。从功率回路均流控制和驱动回路均流控制两个方面,对IGBT并联应用均流控制的工作特性进行了分析总结和技术对比,并对IGBT并联均流技术的发展方向进行了展望。

感应加热电源的IGBT驱动保护系统设计

为提高感应加热电源的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)信号源与保护电路的稳定性,设计了应用于工业化低频大功率感应加热电源设备的IGBT驱动保护系统。系统整体采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)+数字信号处理(DSP)协同工作方案,由低频正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术控制,以脉冲变压器2ED300C17-S为IGBT保护电路的核心,设计了IGBT故障处理电路、退饱和检测电路与有源钳位电路等多种保护电路。对系统进行理论分析与Matlab/Simulink仿真,搭建了实物测试平台。试验结果表明,当工件加热到900℃时,逆变器输出功率参数与负载端功率参数达到大功率感应加热电源要求,且信号源输出稳定性高、保护电路响应时间快。该设计为相关工业化应用提供技术支持。

基于Marx电路的固态高压脉冲电源设计

针对高压脉冲放电和低温等离子体应用的要求,设计了一种基于Marx电路的高重复频率的固态高压脉冲发生装置。该脉冲电源利用Marx电路电容并联充电、串联放电的原理,选取绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为放电开关,控制电路的模态切换。Marx主电路由84级单元组成,每级单元包含IGBT开关管、快恢复二极管和储能电容。实验结果表明,在输入电压为480 V直流电压,并且在300 Hz的频率下,该电源可以产生幅值为20 kV、脉宽为500 ns的高压脉冲,满足设计要求。

650 V IGBT横向变掺杂终端的设计与优化

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)器件的最重要参数之一是击穿电压(Breakdown Voltage,BV),影响IGBT器件BV的因素包括:平面工艺PN结扩散终端、界面电荷、杂质在Si、SiO2中具有不同分凝系数等。其中影响IGBT器件耐压能力的重要因素是芯片终端结构的设计,终端区耗尽层边界的曲率半径制约了BV的提升,为了能够减少曲率效应和增大BV,可以采取边缘终端技术。通过Sentaurus TCAD计算机仿真软件,采取横向变掺杂(Variable Lateral Doping,VLD)技术,设计了一款650 V IGBT功率器件终端,在VLD区域利用掩膜技术刻蚀掉一定的硅,形成浅凹陷结构。仿真结果表明,这一结构实现了897 V的耐压,终端长度为256μm,与同等耐压水平的场限环终端结构相比,终端长度减小了19.42%,且最大表面电场强度为1.73×10^(5)V/cm,小于硅的临界击穿电场强度(2.5×10^(5)V/cm);能在极大降低芯片面积的同时提高BV,并且提升了器件主结的耐压能力。此外,工艺步骤无增加,与传统器件制造工艺相兼容。

BCD工艺中大电流下纵向双极晶体管的电流集边效应研究

在大电流条件下,随着电流密度的增加,发射区结电流集边效应、基区电导调制效应、基区展宽效应会随之出现。基于研究单位的BCD工艺,在集成CMOS和DMOS的基础上集成功率纵向NPN双极晶体管用于输出。设计了75μm×4μm、50μm×6μm、30μm×10μm三种不同尺寸的发射极并进行TCAD仿真研究。在发射极面积相同的情况下,发射极长宽比越小,TCAD可观察到的电流集边效应越严重,最终流片并进行测试验证,得出75μm×4μm的细长结构尺寸能够提升晶体管在大电流下的放大能力,较30μm×10μm的结构提升约11.4%。

基于导通压降的大容量IGBT模块结温观测与误差分析研究

压接式绝缘栅双极性晶体管PP-IGBT(press-pack insulated gate bipolar transistor)模块因其优越的电气性能和可靠性,广泛应用于柔性直流换流阀等大功率应用场景。IGBT芯片结温的准确观测对于其运行状态的监测与剩余寿命的评估都非常重要。已有结温观测方法多是针对键合引线式IGBT,未考虑到压接式模块的特性,无法直接应用。首先,针对大容量换流阀中的压接式IGBT,提出了一种实用的模块导通压降与结温标定方法,并对结温在线估计的误差进行了全面分析。然后,基于ABB公司5SNA 3000K452300压接式IGBT模块(4500 V,3000 A)设计了结温标定方案,包括实验电路、温度标定范围选择、结温控制方式、测量电路及标定实验步骤。最后,基于脉冲测试平台,对所提方法进行了验证。实验结果表明,所提结温标定与观测方案有效,结温观测误差在±5℃以内,且能适用压接式IGBT模块存在差异的情况。

一种沟槽-场限环复合终端结构的设计

为了改善硅功率器件击穿电压性能以及改善IGBT电流的流动方向,提出了一种沟槽-场限环复合终端结构。分别在主结处引入浮空多晶硅沟槽,在场限环的左侧引入带介质的沟槽,沟槽右侧与场限环左侧横向扩展界面刚好交接。结果表明,这一结构改善了IGBT主结电流丝分布,将一部分电流路径改为纵向流动,改变了碰撞电离路径,在提高主结电势的同时也提高器件终端结构的可靠性;带介质槽的场限环结构进一步缩短了终端长度,其横纵耗尽比为3.79,较传统设计的场限环结构横纵耗尽比减少了1.48%,硅片利用率提高,进而减小芯片面积,节约制造成本。此方法在场限环终端设计中非常有效。

压接型IGBT器件短路失效管壳爆炸特性及防护方法

压接型绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为现有柔性直流输电设备的核心部件,在实际应用中,由于承受高电压、大电流的工作环境,容易发生短路过流失效,进而造成的结构爆炸现象。为研究这一爆炸现象的破坏效应及其防护,该文结合多组模拟模块化多电平工况实验,得到IGBT器件短路过流失效爆炸后外壳结构的变形特征。结合电气能量特性的分析和实际爆炸失效形貌特点,建立该IGBT器件结构的数值仿真模型,初步确定实际爆炸过程中的等效TNT爆炸当量。在此基础上,从提高结构自身抗爆能力、增加能量外泄通道、替换结构材料等角度开展IGBT器件的结构优化设计,并进行相关试验验证。结果表明,将管壳的陶瓷材料替换为纤维增强复合材料可有效提高结构的防爆性能,降低器件的破坏程度。

基于LSTM网络的IGBT寿命预测方法研究

针对IGBT工作时承受热应力与电应力循环冲击导致疲劳失效的问题,提出一种基于长短期记忆(LSTM)网络的寿命预测方法。利用NASA预测中心提供的加速老化数据集,分析并选取集电极-发射极的瞬态尖峰电压作为失效特征参数,通过Matlab构建LSTM网络,采用Adam优化算法来训练网络,实现对失效特征参数数据的预测,并选取三项性能评估指标与ARIMA模型及ELMAN神经网络模型的预测进行对比分析。结果显示,LSTM网络模型预测的均方根误差为0.0476,平均绝对误差为0.0322,平均绝对百分误差为0.4917%,LSTM网络模型的预测精度更高,能够更好地实现IGBT的寿命预测,也对其他电力电子器件的寿命预测有一定的参考价值。

基于双分支Cauer模型的IGBT模块焊料层老化监测方法

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片结温、铜端子温度、底板温度的变化规律,准确定位焊料层老化位置,以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化,从而实现对不同焊料层的老化状态监测。

计及电热参数更新的高速列车牵引整流器IGBT模块寿命评估

绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为列车变流器的关键部件,其寿命受老化过程中参数变化的影响,为此提出了一种计及电热参数更新的IGBT模块寿命预测方法。首先,利用实车采集到的外部电压、电流数据结合变流器调制策略推导IGBT的驱动信号,进而获得单个IGBT的电压电流;其次,基于数据手册建立Foster热网络模型获取IGBT的结温;之后考虑到实际中IGBT的老化过程,提出一种IGBT结温计算过程中热阻和导通压降的更新策略;最后通过寿命模型对IGBT进行损伤度估算,并通过蒙特卡洛(Monte-Carlo)模拟评估器件寿命计算过程中的不确定性,取得可靠性变化曲线。

基于电源调制的L波段高性能GaAsHBT功率放大器

介绍了一种基于GaInP/GaAs异质结双极晶体管(HBT)工艺、电源调制的高峰均比、高功率附加效率L波段功率放大器芯片,可满足多载波聚合、大容量通信系统的要求。从器件层面控制基极表面复合、寄生电阻和电容,实现低膝点电压、跨导均匀的晶体管;在电路层面采用自适应偏置电路和谐波调谐等提升线性和功率附加效率。该放大器采用前级驱动加末级输出、驱动比为1∶6的两级晶体管架构和高低通搭配的匹配电路。测试结果表明,在5 V偏置电压下,该功率放大器的饱和输出功率大于35 dBm;在大功率回退时(8 dBm),增益变化小于2 dB,功率附加效率指标达到50%;对于调制带宽为25 kHz的16进制正交振幅调制(16QAM)通信系统,邻道功率比小于-38 dBc@27 dBm。

雪崩晶体管电压斜坡触发模式下终端失效机理研究

随着超宽带脉冲信号系统在新能源汽车智能化感知技术等许多重要领域的应用,高幅值、快前沿脉冲源的研发得到了广泛研究。针对纳秒级前沿脉冲对超快功率半导体开关的需求,进行了雪崩晶体管在电压斜坡触发模式下终端失效机理的研究。利用仿真模型的静态特性与器件样品进行对比分析,测试了器件样品的动态开通特性。在成功得到纳秒级开通速度器件的基础上,对器件在电压斜坡触发模式下出现的失效现象进行了分析。