最詳細的的-IGBT-解析講解學習

1、最 詳 細 的 的 - I GBT- 解IGBT 詳細解析概述IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵 雙極型晶體管 ，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 電壓驅動式功率半導 體器件, 兼有 MOSFET 的高輸入阻抗和 GTR 的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。 GTR 飽和壓降低，載流密度大，但驅動 電流較大;MOSFET 驅動功率很小，開關速度 快，但導通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率 小而飽和壓降低。非常適合應用于 直流電壓 為 600V 及以上的變流系統(tǒng)如交流 電機

2、、變頻器、 開關電源 、照明電路、牽引傳動等領域。1. 結構IGBT 結構圖左邊所示為一個 N 溝道增強型絕緣柵雙極 晶體管 結構， N+ 區(qū)稱為源 區(qū)，附于其上的電極稱為源極。 P+ 區(qū)稱為漏區(qū)。 器件 的控制區(qū)為柵區(qū)，附于 其上的電極稱為 柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的 P 型區(qū) （包括 P+ 和 P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannelregion ）。而在漏區(qū)另一側的 P+ 區(qū)稱為漏注入區(qū)（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區(qū) ，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成 PNP 雙極晶體管 ，起發(fā)射 極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調

3、制，以降低器件的通態(tài) 電壓 。附于 漏注入區(qū)上的電極稱為漏極。IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 NPN 晶體管提供 基極電流 ，使 IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電 流，使 IGBT 關斷。 IGBT 的驅動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入 極 N 一溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當 MOSFET 的溝道形成 后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子)，對 N 一層進行電導調制，減 小 N 一層的 電阻 ，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。三菱制大功率 IGBT 模塊2. 工作特性2.1 靜態(tài)特性IGBT

4、 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電 壓之間的關系 曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控制， Ugs 越高， Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特 性 3 部分。在 截止狀態(tài) 下的 IGBT ，正向電壓 由 J2 結承擔， 反向電壓 由 J1 結承擔。如果無 N+ 緩沖區(qū) ，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+ 緩沖區(qū)后，反向 關斷電壓 只能達到幾十伏水平，因此限制了 IGBT 的某些應 用范圍。IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓

5、 Ugs 之間的關系曲 線。它與 MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時， IGBT 處于關斷狀態(tài)。在 IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內， Id 與 Ugs 呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V 左 右。IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。 IGBT 處于導通 態(tài)時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效 電路為 達林頓 結構，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。 此時，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示Uds(on) = Uj1 + Udr +

6、 IdRoh式中 Uj1 JI 結的正向電壓，其值為 0.7 1V ；Udr 擴展電阻 Rdr 上的壓降； Roh 溝道電阻。通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中 Imos 流過 MOSFET 的電流。由于 N+ 區(qū)存在電導調制效應，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2 3V 。 IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的 泄漏電流 存 在。2.2 動態(tài)特性IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為 MOSFET 來運行的，只是在漏 源電壓 Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延 遲時間。 td(on)

7、為開通延遲時間， tri 為電流 上升時間 。實際應用中常給出的 漏極電流開通時間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1 和 tfe2 組成。IGBT 的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電 壓，柵極電壓可由不同的 驅動電路 產生。當選擇這些驅動電路時，必須基于 以下的參數來進行：器件關斷偏置的要求、柵極 電荷 的要求、耐固性要求和 電源的情況。因為 IGBT 柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用 MOSFET 驅動技術 進行觸發(fā)，不過由于 IGBT 的輸入 電容 較 MOSFET 為大，故 IGBT 的關斷偏 壓應該比許多 MOSFET 驅動電

8、路提供的偏壓更高。IGBT 在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?MOSFET 關斷 后，PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off) 為關斷延遲時間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時間。實際應用中常常給出 的漏極電流的下降時間 Tf 由圖中的 t(f1) 和 t(f2) 兩段組成，而漏極電流的關 斷時間t(off)=td(off)+trv 十 t(f)式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時間。IGBT 的開關速度低于 MOSFET ，但明顯高于 GTR 。IGBT 在關斷時不 需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極

9、 并聯電阻 的增加而 增加。 IGBT 的開啟電壓約 3 4V ，和 MOSFET 相當。 IGBT 導通時的飽和 壓降比 MOSFET 低而和 GTR 接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的 IGBT 器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力 電子應用技術發(fā)展的需求；高壓領域的許多應用中，要求器件的電壓等級達 到 10KV 以上，目前只能通過 IGBT 高壓串聯等技術來實現高壓應用。國外 的一些廠家如 瑞士 ABB 公司采用軟穿通原則研制出了 8KV 的 IGBT 器件， 德國的 EUPEC 生產的 6500V/600A 高壓大功率 IGBT 器件已經獲得實際應 用，日本東芝

10、也已涉足該領域。與此同時，各大 半導體 生產廠商不斷開發(fā)IGBT 的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術，主 要采用 1um 以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。3. IGBT 原理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） 數值高的特 征， IGBT 消除了現有功率 MOSFET 的這些主要缺點。雖然最新一代功率 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

11、仍然要比 IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低 VCE（sat） 的能 力，以及 IGBT 的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度， 并簡化 IGBT 驅動器的原理圖。3.1 IGBT 導通IGBT 硅片的結構與功率 MOSFET 的結構十分相似，主要差異是 IGBT 增加了 P+ 基片和一個 N+ 緩沖層 （NPT-非穿通 -IGBT 技術沒有增加這個部 分 ）。如等效電路圖所示 （圖 1），其中一個 MOSFET 驅動兩個雙極器件?；?的應用在管體的 P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個 J1 結。 當正柵偏壓使柵極下面 反演 P基區(qū)時，一個 N 溝道形成，同時出現一個

12、電子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在 0.7V 范圍 內，那么， J1 將處于正向偏壓，一些空穴注入 N-區(qū)內，并調整陰陽極之間的 電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后 的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流 （MOSFET 電流）； 空穴電流 （雙極 ）。3.2 IGBT 關斷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。在任何情況下，如果 MOSFET 電流在開關階段迅速下降，集 電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在 N 層內還存在少數的載流子 （

13、少子）。這種殘余電流值 （尾流 ）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密 度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，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，尾流的電流值應與芯片的溫度、 IC 和 VCE 密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，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。3.3 IGBT 阻斷與閂鎖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

14、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。 第二點清楚地說明了 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/N J3 結受反向電壓控制。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。晶閘管導通現象被

15、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。 只在關斷時才會出現動態(tài)閂鎖。 這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區(qū)。 為防止寄生 NPN 和 PNP 晶體管的有害現象，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，它與結溫的關系也非常密切； 在結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

16、電極最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。4. IGBT 發(fā)展歷史1979年， MOS柵功率開關器件作為 IGBT 概念的先驅即已被介紹到世 間。這種器件表現為一個類 晶閘管 的結構（ P-N-P-N 四層組成），其特點是 通過強堿濕法刻蝕工藝形成了 V 形槽柵。80 年代初期，用于功率 MOSFET 制造技術的 DMOS （雙擴散形成的金 屬-氧化物-半導體）工藝被采用到 IGBT 中來。 2在那個時候，硅 芯片的結 構是一種較厚的 NPT （非穿通）型設計。后來，通過采用 PT（穿通）型結 構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片 上外延的技術進步，

17、以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的 3 。幾年當中，這種在采用 PT 設計的外延片上制備的 DMOS 平面柵結構，其設計規(guī) 則從 5微米先進到 3 微米。90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT ，它是采用從大規(guī)模集成（ LSI ）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（ PT）型芯片結構。 4 在這種溝槽結構中，實現了在通態(tài)電壓和關斷 時間之間折衷的更重要的改進。硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（ NPT ）結 構，繼而變化成弱穿通（ LPT ）結構，這就使安全工作區(qū)（ SOA ）得到同表 面柵結構演變類似的改善。這次從穿通（

18、PT）型技術先進到非穿通（ NPT ）型技術，是最基本的， 也是很重大的概念變化。這就是：穿通（ PT）技術會有比較高的 載流子 注入 系數，而由于它要求對 少數載流子壽命 進行控制致使其輸運效率變壞。另一 方面，非穿通（ NPT ）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運 效率，不過其載流子注入系數卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（ LPT ）技術所代替，它類似于某些人所謂的 “軟穿通 ”（SPT）或 “電場截止 ”（FS）型技術，這使得 “成本 性能 ”的綜合效果得到進一步改 善。1996 年， CSTBT （載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代 IGBT 模塊得

19、以實現 6 ，它采用了弱穿通（ LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元 胞間距的設計。目前，包括一種 “反向阻斷型 ”（逆阻型）功能或一種 “反向導 通型 ”（逆導型）功能的 IGBT 器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu) 化。IGBT 功率模塊采用 IC 驅動，各種驅動保護 電路 ，高性能 IGBT 芯片， 新型封裝技術，從復合功率模塊 PIM 發(fā)展到 智能功率模塊 IPM 、電力電子積 木 PEBB、電力模塊 IPEM 。PIM 向高壓大電流發(fā)展，其產品水平為 1200 1800A/1800 3300V ，IPM 除用于變頻調速外， 600A/2000V 的 IPM 已用于 電力機車

20、VVVF 逆變器 。平面低 電感封裝技術是大電流 IGBT 模塊為 有源器 件的PEBB ，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。 IPEM 采用共燒瓷片多芯片模塊技 術組裝 PEBB ，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現已開發(fā)成功第二 代 IPEM ，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化 成為 IGBT 發(fā)展熱點?，F在,大電流高電壓的 IGBT 已模塊化 ,它的驅動電路除上面介紹的由分立 元件構成之外 ,現在已制造出集成化的 IGBT 專用驅動電路 . 其性能更好 ,整機 的可靠性更高及 體積 更小。5. 輸出特性與轉移特性IGBT 與 MOSFET 的對比：MOSFET 全稱功

21、率場效應晶體管 。它的三個極分別是源極 （S）、漏極 （D） 和柵極 （G） 。主要優(yōu)點： 熱穩(wěn)定性 好、安全工作區(qū)大。缺點： 擊穿電壓 低，工作電流小。IGBT 全稱絕緣柵雙極晶體管，是 MOSFET 和 GTR( 功率晶管 ) 相結合的 產物。它的三個極分別是 集電極 (C)、發(fā)射極 (E) 和柵極 (G) 。特點：擊穿電壓可達 1200V ，集電極最大 飽和電流 已超過 1500A 。由 IGBT 作為逆變器件的變頻器的容量達 250kVA 以上，工作頻率可達 20kHz 。6. IGBT 模塊簡介IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor( 絕緣柵

22、 雙極型晶體管 )的縮 寫， IGBT 是由 MOSFET 和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為 MOSFET ，輸出極為 PNP 晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有 MOSFET 器件驅動功率小和開關速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降 低而容量大的優(yōu)點，其 頻率 特性介于 MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工 作于幾十 kHz 頻率范圍 內，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應 用，在較高頻率的大、中功率應用中占據了主導地位。若在 IGBT 的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則 MOSFET 導通，這 樣 PNP 晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；

23、若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為 0V，則 MOS 截止，切斷 PNP 晶體管基極電流 的供給，使得晶體管截止。 IGBT 與 MOSFET 一樣也是電壓控制型器件，在 它的柵極 發(fā)射極間施加十幾 V 的 直流電壓 ，只有在 uA 級的漏電流流過， 基本上不消耗功率。6.1. IGBT 模塊的選擇IGBT 模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相 關。其相互關系見下表。使用中當 IGBT 模塊集電極電流增大時，所產生的 額定損耗亦變大。同時，開關損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用 IGBT 模塊時額定電流應大于 負載電流 。特別是用作高頻開關時，由于開關 損耗增大，發(fā)熱加劇

24、，選用時應該降等使用。6.2 使用中的注意事項由于 IGBT 模塊為 MOSFET 結構， IGBT 的柵極通過一層 氧化膜 與發(fā)射 極實現電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到2030V 。因此因靜電而導致柵極擊穿是 IGBT 失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下 幾點：在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅動端子部分，當必須要觸摸模塊端 子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸；在用導電材料連接模塊驅動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊；盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的