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IGBT的關斷瞬態分析—電荷存儲初始值

冬至子 ? 來源:橘子說IGBT ? 作者:orange ? 2023-12-01 13:48 ? 次閱讀

在穩態部分的分析中,我們詳細地推演了電子電流、空穴電流、總電流以及各電壓構成部分與多余載流子濃度分布之間的關系,即一維空間的物理關系。

接下來,我們引入時間變量圖片,進入瞬態部分的分析。

當外部柵極控制電壓圖片降低到閾值電壓圖片以下時,MOS部分的溝道立即閘斷,相應的電子電流變為0,借鑒《電流與電荷分布的初步分析1》中的插圖,即圖中圖片瞬間衰減為0,那么總電流就只剩下如圖2、3、4三個部分。

假設這個變化的時間為圖片,變化前后的總電流記為圖片圖片,描繪總電流在圖片時刻發生突變。

顯然, 圖片,下一節我們會具體地討論圖片圖片的關系。

圖片

圖片

推演電流和電壓隨時間的變化關系的大致邏輯是:電流圖片是器件內部電荷總量圖片在時間維度為微分圖片,電荷總量圖片是載流子圖片的積分,圖片可以通過連續方程求解得出,其邊界條件為非耗盡區兩端的電荷濃度,即圖片圖片,求解方法參考前面穩態部分。

與穩態部分不同的是,圖片隨時間變化,記為圖片圖片,其中圖片是base區寬度, 圖片是耗盡區寬度;圖片是固定值,圖片隨外加電壓圖片變化,根據泊松方程,

圖片

由此,根據穩態部分的邊界條件,我們就可以準確地推演出關斷瞬態過程中圖片圖片的關系。下面,我們根據上述邏輯,逐步展開分析,首先看電荷總量圖片隨時間的變化。

假設圖片時刻為0時刻,先求解圖片的初始值圖片,這可以通過對穩態下圖片的積分得到,即對(6-10)進行積分,

圖片

其中,A芯片面積。分子利用圖片,分母利用關系圖片,(6-35)可以進一步簡化為,

圖片

接下來,我們建立圖片與電流初始條件圖片之間的關系,根據(6-36),即要建立圖片圖片之間關系。

在穩態分析中,我們分別基于PIN模型和BJT模型建立了圖片和電流密度圖片之間的關系( 圖片),這里應該使用哪一個模型的結論呢?如穩態部分所分析,這取決于圖片還是圖片,而這又取決于電子的載流子壽命,及其對應的擴散長度。

當擴散長度大于BJT的基區寬度時,那么電子可以擴散到BJT的發射極,那么顯然圖片,應采用BJT模型的結論;反之,電子無法擴散到BJT的發射極,那么圖片,應采用PIN模型的結論。

為簡化后面的運算,這里我們采用基于PIN模型的結論(采用BJT模型也可以,但是圖片和電流密度圖片之間的關系就需要通過求解(6-21)來得到,相對復雜,但邏輯相同),即(6-11)所描述的圖片和電流密度圖片之間的關系,再乘以芯片面積:

圖片

將(6-37)帶入(6-36),即可得到圖片與電流初始條件圖片之間的關系,并化簡,

圖片

圖片

根據(6-38),我們看看初始電荷總量隨穩態電流以及載流子壽命之間的變化關系。顯然,在穩態電流值確定的情況下,初始電荷總量隨載流子壽命增加而趨向飽和。

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