发射极注入增强型IGBT快速关断机理与新结构

批准号:
51877030
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
陈万军
依托单位:
学科分类:
E0706.电力电子学
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
郑崇芝、刘超、施宜军、夏云、左慧玲、李茂林、李青岭、肖紫嫣、张兴强
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中文摘要
本申请针对IGBT器件发展中所面临的核心问题,以降低器件功耗为目标,开展IGBT器件新机理与新结构研究,主要创新研究为:1)深究IGBT关断过程中非平衡载流子的抽取和复合过程,揭示非平衡载流子浓度分布和耗尽层扩展的物理本质与规律,建立发射极注入快速关断(EAT)电流模型,获得最优化非平衡载流子浓度分布的实现途径;2)在EAT模型指导下,提出发射极注入增强型IGBT新结构,获得一种导通压降降低30%,关断功耗降低50%以上的IGBT新结构;3)创建发射极注入增强型IGBT器件功耗解析模型和优化判据,并将该模型拓宽至不同条件下的IGBT器件,使之成为IGBT器件功耗优化的统一解析模型,为低功耗IGBT器件设计与实现研究提供理论基础。. 本申请是一项器件理论与实验相结合的应用基础研究,其成果具有重要科学意义和应用前景,对实现我国IGBT自主创新和跨越式发展具有重要意义。
英文摘要
This application aims at the core problem in the development of IGBTs and researches on the new physical mechanism and novel device structure of IGBT devices to reduce the power loss. The main innovations of this application are: (1) Study the extraction and recombination process of excess carriers during the turnoff process and clarify the relationship between excess carrier concentration distribution and extension of depletion layer width. Setup the Emitter-injection Accelerated Turn-off (EAT) current model and theoretically obtain the way to achieve the optimized excess carrier distribution in terms of the tradeoff relationship between on-state power loss and switching power loss. (2) Based on the proposed EAT model, invent a new IGBT structure featuring a 30% lower forward voltage drop as well as a 50% lower turnoff power loss. (3) Setup an analytical model of power loss and optimization criterions, expand this model to different carrier injection conditions and make it as a unified analytical model of IGBT power loss. . This application is a fundamental research of device physics and experiment, which is of significant importance for ultra-low loss IGBTs.
本项目以实现低功耗绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为目标,深究器件电荷、电场、电流等物理本质,开展IGBT器件新机理与新结构研究,并将理论成果扩展至栅控晶闸管(MCT)上,取得的主要创新研究成果为:(1)提出发射极注入增强关断模型,揭示非平衡载流子浓度分布与耗尽层扩展的物理本质和规律,提出发射极注入增强型IGBT新结构,获得最优化非平衡载流子浓度分布,实现导通压降降低31%、关断功耗降低50%;(2)针对发射极注入增强关断优化载流子浓度存在导通、关断功耗折衷关系的问题,进一步提出动态电场调制增强新模式,揭示从优化动态电场分布以降低器件功耗新途径,并提出动态电场调制增强型IGBT新结构,进一步降低46%的关断时间和57%的关断功耗;(3)针对发射极注入增强引起开启EMI噪声增大的问题,分析器件开启过程的电势自调制机理,并提出IGBT新结构;降低了63%的开启电压变化率,显著抑制了EMI噪声;(4)将发射极注入增强机理扩展至MCT设计上而提出一种适用于固态断路器(SSCB)的MCT新结构,降低了41%的导通功耗,为高效SSCB设计奠定了器件基础;(5)针对具有强电导调制效应的MCT因高di/dt而损坏的问题,研究电压耦合现象,阐明了器件在高di/dt脉冲应用中的阴极-栅极电压耦合效应,并提出具有虚拟栅结构的MCT新结构,降低了77%的脉冲最大栅阴电位差,提升了器件的di/dt耐量。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Design and Experimental Verification of an Efficient SSCB Based on CS-MCT
基于CS-MCT的高效SSCB设计与实验验证
DOI:10.1109/tpel.2020.2987418
发表时间:2020-11
期刊:IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS
影响因子:6.7
作者:Xu Xiaorui;Chen Wanjun;Tao Hong;Zhou Qi;Li Zhaoji;Zhang Bo
通讯作者:Zhang Bo
High Voltage Insulated Gate Trigger Thyristor with High-efficiency injection for fast Turn-on and High Current Pulse
具有高效注入功能的高压绝缘栅触发晶闸管,可实现快速导通和高电流脉冲
DOI:10.1109/led.2019.2945335
发表时间:2019
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Chao Liu;Wanjun Chen;Ruize Sun;Yijun Shi;Qi Zhou;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Bo Zhang
Numerical Analysis for a P-Drift Region N-IGBT With Enhanced Dynamic Electric Field Modulation Effect
具有增强动态电场调制效应的 P 漂移区 N-IGBT 的数值分析
DOI:10.1109/ted.2022.3165142
发表时间:2022-06
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices
影响因子:3.1
作者:Xiaorui Xu;Wanjun Chen;Shuyi Zhang;Chao Liu;Ruize Sun;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Bo Zhang
Study on Transient Turn-On Characteristics of Pulse Power Thyristor-Type Devices Under Ultrahigh d$textit{i}$/d$textit{t}$ Condition
脉冲功率晶闸管型器件超高d$textit{i}$/d$textit{t}$条件下瞬态开通特性研究
DOI:10.1109/ted.2022.3232320
发表时间:2023
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices
影响因子:3.1
作者:Chao Liu;Pengcheng Xing;Shuyi Zhang;Wanjun Chen;Ruize Sun;Xiaorui Xu;Yun Xia;Yajie Xin;Yijun Shi;Zhaoji Li;Bo Zhang
通讯作者:Bo Zhang
Non-Simultaneous Triggering Induced Failure of CS-MCT Under Repetitive High-Current Pulse Condition
重复大电流脉冲条件下CS-MCT非同时触发失效
DOI:10.1109/tdmr.2020.2965980
发表时间:2020-03
期刊:IEEE Transactions on Device and Materials Reliability
影响因子:2
作者:Wanjun Chen;Yajie Xin;Kemeng Zhang;Cao Deng;Qi Zhou;Xiaochuan Deng;Zhaoji Li;Bo Zhang;Huiling Zuo;Qijun Zhou;Wuhao Gao;Yun Xia;Chao Liu;Hong Tao;Yawei Liu;Yijun Shi
通讯作者:Yijun Shi
高耐压低导通氮化镓功率器件电荷调控机理与新结构
- 批准号:62334003
- 项目类别:重点项目
- 资助金额:230万元
- 批准年份:2023
- 负责人:陈万军
- 依托单位:
压控半导体高功率开关器件瞬态输运机理与关键技术研究
- 批准号:U1330114
- 项目类别:联合基金项目
- 资助金额:90.0万元
- 批准年份:2013
- 负责人:陈万军
- 依托单位:
GaN异质结器件场控能带(FCE)模型与新结构
- 批准号:61274090
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:88.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:陈万军
- 依托单位:
高性能AlGaN/GaN复合阳极场控功率整流器新结构及模型
- 批准号:60906037
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:24.0万元
- 批准年份:2009
- 负责人:陈万军
- 依托单位:
国内基金
海外基金
