摘要： 本文提出了一種簡單有效的、可用于SPICE仿真的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的半解析計算類模型。模型的主體為一個MOSFET(場效應晶體管)為一個BJT(雙極晶體管)提供基極電流的達林頓結構。由于米勒電容和電導調制效應對于IGBT的特性表現有著重要影響，本文在建立模型時主要考慮了這兩方面的內容。文章所描述模型的參數可以從TCAD仿真結果得到。
關鍵詞：絕緣柵雙極型晶體管;半解析計算;電路仿真;
0 引言
IGBT發明于20世紀80 年代初。由于同時兼具單極器件易于驅動、開關性能好和雙極器件過電流能力強的優點，被看做是未來半導體功率器件的主流方向，并被廣泛應用于電機控制、家電、汽車牽引、智能電網等領域。[1][2]
隨著幾十年的發展與進步，IGBT產品在結構上主要有以下兩大突破：一是溝槽柵(trench gate)結構的提出，既解決了JEFT問題，又提升了溝道密度;二是場阻止(field stop，FS)層技術或者也有稱其為軟穿通(soft punch through，SPT)結構的提出，使得芯片厚度大大降低從而得到更低的通態壓降。
伴隨著IGBT技術的發展，IGBT的仿真在其設計、驗證、生產制造、預測行為以及降低時間和物質成本上都起到至關重要的作用。對于IGBT的設計者而言，一般都會建立在TCAD仿真軟件的基礎上，該類仿真軟件通過有限元的方法，求解器件內在的物理方程。這無論從器件的工藝仿真到基本參數的仿真都是IGBT設計所必不可少的。
與此同時，IGBT在電路級甚至系統級中的表現行為對于器件性能的優化也有著十分重要的參考價值。所以，探尋一種適用
于器件電路仿真的模型就顯得尤為迫切。本文所述一種適用于PSPICE仿真的IGBT模型，簡單而有效，其中所需參數可直接由TCAD軟件仿真結果得到。成功的將TCAD仿真與PSPICE仿真聯合起來。
1 模型描述
文獻[3]中研究了2000年之前大量的IGBT模型，對其進行了較為細致的分類：行為擬合類(Behavioural)、解析計算類(Mathematical)、半解析計算類(Semimathematical)、半數值計算類(Seminumerical)。各類模型在精確度和仿真速度上有著不同的折衷，對應于不同需求的仿真。
本文所述模型主體為一個場效應晶體管(MOSFET)向一個雙極晶體管(BJT)提供基極驅動電流的達林頓結構，如圖1所示。其中，MOSFET部以分及BJT部分可直接采用SPICE軟件庫中自帶的模型。這樣做的優點是使得模型的構成得到簡化且符合實際的物理意義;但同時我們應該注意到，現有的SPICE中BJT的模型并不能非常準確的描述IGBT器件中寬基區的PNP晶體管部分，這使得模型的準確性有一定的下降。
1.1電導調制效應
IGBT對比于功率MOS器件有著一個顯著的優勢就是：在其背面加入的P+層引入了電導調制效應，使得IGBT在導通狀態下能有很低的電阻，同時也帶來關斷時電流有一個拖尾的缺點。所以，我們在建立IGBT模型的時候，該效應是不能忽略的。
2 模型參數的獲取
上述IGBT模型屬于半解析計算類(Semimathematical)模型，用到SPICE庫中已有的MOS和BJT，并引入其他如受控源、電容、電阻、電感等元素來輔助修正模型。這種建模的方式與把IGBT器件看做一個“黑匣子”來擬合外特性曲線的建模方式不同，建模所用方程參數都有其實際的物理意義。所以，我們可以從TCAD仿真結果所得器件結構尺寸和基本參數曲線來獲得模型所需參數。圖是使用TCAD軟件仿真所得IGBT元胞正面區的橫截面，仿真對象為一個1700V耐壓、100A通態電流的IGBT。
表1所示為從TCAD軟件中所提取的主要參數。
其中，C0和Adg分別是零偏壓下C、G之間的等效電容以及柵極與P基區交疊的面積。
3 仿真結果
我們將所得模型用于OrCAD Capture CIS Lite的軟件環境下進行仿真，仿真項目主要包括通態下(VG=15V)集電極電流與端電壓之間曲線關系、雙脈沖的動態開通關斷時電流電壓曲線兩項。
圖6是IGBT雙脈沖動態開關仿真所得端電流和端電壓曲線圖，其中與IGBT搭配的FRD(快速恢復二極管)模型是采用infineon公司官方網站發布的產品FRD的SPICE模型。
從圖6中可以明顯的觀測到柵極電壓在
開通以及關斷的過程中有米勒平臺的階段，同時在第一個脈沖下降沿關斷的時候有符合預期的拖尾電流。這說明：本文所述模型對于器件米勒電容以及電導調制效應的模擬是合理的。
4 結論
本文描述了一種可以用于SPICE仿真的IGBT子電路(.SUBCKT)模型，模型的主體是運用SPICE庫中已有的MOSFET以及PNP晶體管模型，并加入受控源、電容、電感等元素來對模型進行完善和修正。該模型主要考慮了集電極與發射極之間的米勒電容效應和IGBT的電導調制效應，并用合適的子電路對其進行了模擬。同時，本文所描述的模型所需參數有其實際的物理意義，大多能從TCAD仿真的結果中得到。這使得該模型在易于完成的同時也有利于人們對IGBT器件內部物理機制的學習和探究。將所得模型用于SPICE環境仿真所得結果顯示，仿真結果曲線在變化趨勢以及數量級上符合理論預期，并能明顯的顯示出米勒電容以及電導調制效應對于器件性能的影響。
參考文獻
[1] 趙潔. 中國IGBT功率半導體器件產業觀察[J]. 半導體信息，2012:4.
[2] H.Boving, T.Laska, A.Pugatschow, et al. Ultrathin 400V FS IGBT for HEV applications[C]. Proc. of ISPSD, 2011:64-67.
[3] Kuang Sheng, Barry W. Williams, Stephen J. Finney. A Review of IGBT Models. IEEE Transactions on Power Electronics. 2000,15(6):1250-1265.
[4] R. Kraus, K. Hoffmann, H.J. Mattausch. A Precise Model for the Transient Characteristics of Power Diodes. PECS’92 Rec. pp.863-869.
[5] K. Sheng, S.J. Finney, Barry W. Williams. Fast and Accurate IGBT Model for SPICE. Electron. Lett. 1996,32(25):2294-2295.
[6] 吳建強, 李浩昱. 非線性電容Pspice模型的建立. 哈爾濱工業大學學報, 1999,31(3):44-46.
作者簡介：
譚驥(1990)，男，博士，主要從事半導體功率器件研究工作，tanji@ime.ac.cn;
朱陽軍(1980)，男，博士，研究員，長期從事半導體功率器件的研究工作，zhuyangjun@ime.ac.cn;
劉先正(1985)，男，博士，工程師，從事功率器件應用研究工作，liuxianzheng@sgri.sgcc.com.cn;
溫家良(1970)，男，博士，教授級高工，長期從事電力電子技術與高壓直流輸電技術研究。wenjialiang@sgri.sgcc.com.cn。
