Numerical and Analytical Investigations on IGBTs Thermal Behaviour

(Received 28 May 1996, revised 25 October 1996, accepted 13 December 1996)

Abstract
Power devices such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) operate within a large temperature range. Therefore, it is really important to understand the relationship between the device temperature and its electrical characteristics. From this viewpoint, the authors have studied the influence of the IGBT technology (Punch-Through PT or Non-Punch-Through NPT) on its thermal and electrical behaviours. This work points out that the variations with temperature of the stored charge in the IGBT base depend on the device technology. Using two-dimensional device simulations coupled with an analytical modelling, the authors show that the stored charge in PT devices is more temperature sensitive than in NPT devices. The modelling of the stored charge function of the current density and the device description proves that the concept of the charge injection control influences the temperature dependence. Consequently the static and dynamic IGBT characteristics are temperature sensitive. The voltage rise in hard switching mode (turn-off phase) is related to the temperature dependence of the stored charge.

Résumé
Les composants de puissance comme les IGBTs (Transistors Bipolaires à Grille Isolée) fonctionnent sur une large gamme de température. Il apparaît alors important de comprendre les relations entre la température du composant et ses caractéristiques électriques. Dans cette problématique, les auteurs ont étudié l'influence de la technologie de l'IGBT (Punch-Through PT ou Non-Punch-Through NPT) sur son comportement électrique et thermique. Ce travail révèle que les variations en température de la charge stockée dans la base de l'IGBT dépendent de la technologie du dispositif. En utilisant des simulations en deux dimensions couplées avec une modélisation analytique, les auteurs montrent que la charge stockée dans les composants PT est plus sensible à la température que dans les composants NPT. La modélisation de la densité de courant en fonction de la charge stockée prouve que le contrôle de l'injection de charges influence la dépendance en température. En conséquence, les caractéristiques statiques et dynamiques de l'IGBT sont sensibles à la température. La montée de la tension en commutation dure à l'ouverture est reliée à la dépendance en température de la charge stockée.