Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut des sciences de l'énergie ISE (Laboratoire d'électronique industrielle LEI)

Modélisation physique d'un transistor de puissance IGBT : traînée en tension à l'enclenchement

Pittet, Serge ; Rufer, Alfred (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3215.

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    Summary
    The IGBT transistor, associating the conduction advantages of the bipolar transistor and the switching advantages of the MOSFET transistor, is widely used in medium and high power applications with an operating voltage of 1.2kV to 4.5kV. New topologies, reducing the losses in the semi-conductor devices, are often proposed and have to be validated through a simulation tool. The finite element method (FEM) simulators accurately analyse losses in components, but the associated simulation time is so long that they cannot be used for complex topologies in power electronics. An equivalent transistor macromodel, correctly and quickly predicting currents and voltages on the element is needed. This thesis proposes an IGBT transistor model based on semiconductor physics and validated through a comparison with finite element simulator results. The model yields very good results regardless of transistor load and operating point. Base conduction is modelled using a novel equivalent charge approach. This results in a relatively simple macromodel with a good representation of the static and dynamic phenomena. The solving method of the Poisson equation has been revisited to fit recent changes of the internal structure of IGBT transistors. All approximations have been validated through fi- nite element analysis using an appropriate simulation set. The approximation of the internal MOSFET, even though based on existing models, takes into account the specificities of the IGBT transistor structure. It shows the degenerated properties of the internal MOSFET compared to the properties of a standard MOSFET, regardless of the operating point. Using intermediate potentials within the semiconductor structure allows a separate analysis of the different voltage contributions. A complete IGBT transistor macromodel has been developed and tested in different power electronics structures. Good results were obtained in all the tested structures with the proposed IGBT transistor macromodel. Parameter extraction can easily be automated using a mathematical tool such as Matlab and only requires few measurements on the device. The obtained results can then be quickly adapted to an other IGBT device.
    Résumé
    Le transistor IGBT, associant les avantages en conduction du transistor bipolaire et les avantages en commutation du transistor MOSFET, est largement utilisé pour les applications de moyenne et forte puissance avec des tensions d'alimentation comprises entre 600V et 4.5kV. De nouvelles topologies, permettant une diminution des pertes dans les éléments semiconducteurs, sont régulièrement proposées et doivent être validées par simulation. Les simulateurs par éléments finis (FEM) permettent une analyse précise et fiable des pertes dans un composant, mais nécessitent un temps de calcul trop important pour pouvoir être utilisés par les électroniciens de puissance lors de la validation de circuits complexes. Un macromodèle équivalent du transistor prédisant de manière correcte les courants et tensions à ses bornes pour un temps de calcul réduit est alors nécessaire. On propose dans ce travail de thèse un modèle complet d'IGBT, entièrement basé sur une analyse de physique des semiconducteurs et validé par une comparaison avec des résultats de simulation par éléments finis. Ce modèle donne de très bons résultats quel que soit le type de sollicitation imposée au transistor et le point de fonctionnement étudié. La conduction de la base est modélisée par une approche de charge équivalente novatrice, permettant une représentation précise des phénomènes statiques et dynamiques avec un macromodèle équivalent relativement simple. La méthode de résolution des équations de Poisson a été revue pour mieux correspondre aux évolutions récentes de la structure interne des IGBTs. Toutes les approximations et hypothèses ont été validées par une série appropriée de simulation par éléments finis. L'approximation du MOSFET interne, bien que basée sur des modèles existants, a été entièrement réévaluée pour tenir compte de ses spécificités. On met en évidence une dégénérescence complète des propriétés du MOSFET interne d'un IGBT par rapport aux propriétés d'un MOSFET standard, due au faible dopage de sa zone de drain et au gradient de potentiel dans son substrat, et ce quel que soit le point de fonctionnement étudié. L'utilisation de potentiels intermédiaires, situés à l'intérieur de la structure semiconductrice a d'abord permis d'étudier et de valider séparément les propositions faites pour chacune des différentes parties de la structure. Un macromodèle complet a finalement été développé pour vérifier son comportement dans divers types de circuits d'électronique de puissance. Les résultats obtenus sont très satisfaisant quel que soit le type de circuit dans lequel le modèle de transistor IGBT est testé. La routine d'extractions des paramètres peut facilement être automatisée sous un logiciel mathématique tel que Matlab et nécessite relativement peu de mesures préalables. On peut ainsi aisément transposer les résultats obtenus ici à n'importe quel transistor IGBT.