IGBT - 簡介/IGBT - 原理/IGBT - 導通/IGBT - 關(guān)斷/IGBT - 動態(tài)特性

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式電力電子器件。應用于交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然*新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。IGBT基本結(jié)構(gòu)見圖1中的縱剖面圖及等效電路。??

?IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分)。如等效電路圖所示(圖1)，其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。??

當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了**個電荷流。*后的結(jié)果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流(雙極)。??

??當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子(少子)。這種殘余電流值(尾流)的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設備上，問題更加明顯。??

鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC之間的關(guān)系如圖2所示。??

當集電極被施加一個反向電壓時， J1就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。??
**點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的壓降高的原因。??

當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。??

IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：??

當晶閘管全部導通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。??
只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴重地限制了**操作區(qū) 。??
為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：??
防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。??
降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。??
此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極*大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。??

在通態(tài)中，IGBT可以按照“**近似”和功率MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管建模。圖3所示是理解器件在工作時的物理特性所需的結(jié)構(gòu)元件(寄生元件不考慮在內(nèi))。??

如圖所示，IC是VCE的一個函數(shù)(靜態(tài)特性)，假如陰極和陽極之間的壓降不超過0.7V，即使柵信號讓MOSFET溝道形成(如圖所示)，集電極電流IC也無法流通。當溝道上的電壓大于VGE-Vth時，電流處于飽和狀態(tài)，輸出電阻無限大。由于IGBT結(jié)構(gòu)中含有一個雙極MOSFET和一個功率MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上具有對比性的兩個器件的凈效率。功率MOSFET的溫度系數(shù)是正的，而雙極的溫度系數(shù)則是負的。本圖描述了VCE(sat)作為一個集電極電流的函數(shù)在不同結(jié)溫時的變化情況。當必須并聯(lián)兩個以上的設備時，這個問題變得十分重要，而且只能按照對應某一電流率的VCE(sat)選擇一個并聯(lián)設備來解決問題。有時候，用一個NPT進行簡易并聯(lián)的效果是很好的，但是與一個電平和速度相同的PT器件相比，使用NPT會造成壓降增加。??

動態(tài)特性是指IGBT在開關(guān)期間的特性。鑒于IGBT的等效電路，要控制這個器件，必須驅(qū)動MOSFET元件。??

這就是說，IGBT的驅(qū)動系統(tǒng)實際上應與MOSFET的相同，而且復雜程度低于雙極驅(qū)動系統(tǒng)。如前文所述，當通過柵極提供柵正偏壓時，在MOSFET部分形成一個N溝道。如果這一電子流產(chǎn)生的電壓處于0.7V范圍內(nèi)，P+ / N-則處于正向偏壓控制，少數(shù)載流子注入N區(qū)，形成一個空穴雙極流。導通時間是驅(qū)動電路的輸出陰抗和施加的柵極電壓的一個函數(shù)。通過改變柵電阻Rg(圖4)值來控制器件的速度是可行的，通過這種方式，輸出寄生電容Cge和 Cgc可實現(xiàn)不同的電荷速率。??

換句話說，通過改變 Rg值，可以改變與Rg (Cge+C**)值相等的寄生凈值的時間常量(如圖4所示)，然后，改變*V/dti。數(shù)據(jù)表中常用的驅(qū)動電壓是15V。一個電感負載的開關(guān)波形見圖5，di/dt是Rg的一個函數(shù)，如圖6所示，柵電阻對IGBT的導通速率的影響是很明顯的。??

因為Rg數(shù)值變化也會影響dv/dt斜率，因此，Rg值對功耗的影響很大 。??
在關(guān)斷時，再次出現(xiàn)了我們曾在具有功率MOSFET和 BJT器件雙重特性的等效模型中討論過的特性。當發(fā)送到柵極的信號降低到密勒效應初始值時，VCE開始升高。如前文所述，根據(jù)驅(qū)動器的情況，VCE達到*大電平而且受到Cge和Cgc的密勒效應影響后，電流不會立即歸零，相反會出現(xiàn)一個典型的尾狀，其長度取決于少數(shù)載流子的壽命。??

在IGBT處于正偏壓期間，這些電荷被注入到N區(qū)，這是IGBT與MOSFET開關(guān)對比*不利特性之主要原因。降低這種有害現(xiàn)象有多種方式。例如，可以降低導通期間從P+基片注入的空穴數(shù)量的百分比，同時，通過提高摻雜質(zhì)水平和緩沖層厚度，來提高重組速度。由于VCE(sat)增高和潛在的閂鎖問題，這種排除空穴的做**降低電流的處理能力。??

**運行區(qū)SOA??

按電流和電壓劃分，一個IGBT的**運行區(qū)可以分為三個主要區(qū)域，如下表所示：??

這三個區(qū)域在圖8中很容易識別 。??

通常每一張數(shù)據(jù)表都提供了正向?qū)?正向偏置**運行區(qū)FBSOA)、反向(反向偏置**運行區(qū)RBSOA)和短路(短路**運行SCSOA)時描述強度的曲線。??

詳細內(nèi)容：??

FBSOA??

這部分**運行區(qū)是指電子和空穴電流在導通瞬態(tài)時流過的區(qū)域。在IC處于飽和狀態(tài)時，IGBT所能承受的*大電壓是器件的物理極限，如圖8所示。??

RBSOA??

這個區(qū)域表示柵偏壓為零或負值但因空穴電流沒有消失而IC依然存在時的關(guān)斷瞬態(tài)。如前文所述，如果電流增加過多，寄生晶體管會引發(fā)閂鎖現(xiàn)象。當閂鎖發(fā)生時，柵極將無法控制這個器件。*新版的IGBT沒有這種類型的特性，因為設計人員改進了IGBT的結(jié)構(gòu)及工藝，寄生SCR的觸發(fā)電流較正常工作承受的觸發(fā)電流(典型Ilatch>5IC 正常)高出很多。關(guān)于閉鎖電流分別作為結(jié)溫和柵電阻的一個函數(shù)的變化情況，見圖9和10。??

SCSOA??

SCSOA是在電源電壓條件下接通器件后所測得的驅(qū)動電路控制被測試器件的時間*大值。圖11所示是三個具有等效特性但采用不同技術(shù)制造的器件的波形及關(guān)斷時間。??

*大工作頻率??

開關(guān)頻率是用戶選擇適合的IGBT時需考慮的一個重要的參數(shù)，所有的硅片制造商都為不同的開關(guān)頻率專門制造了不同的產(chǎn)品。??

特別是在電流流通并主要與VCE(sat)相關(guān)時，把導通損耗定義成功率損耗是可行的。??

這三者之間的表達式：Pcond = VCE IC ，其中， 是負載系數(shù)。??
開關(guān)損耗與IGBT的換向有關(guān)系；但是，主要與工作時的總能量消耗Ets相關(guān)，并與終端設備的頻率的關(guān)系更加緊密。??

Psw = Ets??
總損耗是兩部分損耗之和：??
Ptot = Pcond + Psw??
在這一點上，總功耗顯然與Ets 和 VCE(sat)兩個主要參數(shù)有內(nèi)在的聯(lián)系。??

這些變量之間適度的平衡關(guān)系，與IGBT技術(shù)密切相關(guān)，并為客戶*大限度降低終端設備的綜合散熱提供了選擇的機會。??

因此，為*大限度地降低功耗，根據(jù)終端設備的頻率，以及與特殊應用有內(nèi)在聯(lián)系的電平特性，用戶應選擇不同的器件。??