电力电子半导体器件IGBTPPT课件.ppt
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第七章第七章绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT)IGBT)7.17.1原理与特性原理与特性一、概述一、概述IGBTInsulatedGateBipolarTransistor近年来出现了许多新型复合器件,它们将前述单极型和双近年来出现了许多新型复合器件,它们将前述单极型和双极性器件的各自优点集于一身,扬长避短,使其特性更加优越,极性器件的各自优点集于一身,扬长避短,使其特性更加优越,具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点,因而发展很快应用很广,已成为当前电力受电流大等优点,因而发展很快应用很广,已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。
半导体器件发展的重要方向。
其中尤以绝缘栅双极晶体管其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出,在各个领域最为突出,在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势。
中有取代前述全控型器件的趋势。
IGBT(IGT),),1982年研制,第一代于年研制,第一代于1985年生产,主要年生产,主要特点是低损耗,导通压降为特点是低损耗,导通压降为3V,下降时间下降时间0.5us,耐压耐压500600V,电流电流25A。
第二代于第二代于1989年生产,有高速开关型和低通态压降型,容年生产,有高速开关型和低通态压降型,容量为量为400A/5001400V,工作频率达工作频率达20KHZ。
目前第三代正在目前第三代正在发展,仍然分为两个方向,一是追求损耗更低和速度更高;另发展,仍然分为两个方向,一是追求损耗更低和速度更高;另一方面是发展更大容量,采用平板压接工艺,容量达一方面是发展更大容量,采用平板压接工艺,容量达1000A,4500V;命名为命名为IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)二二、工作原理:
工作原理:
IGBT是在功率是在功率MOSFET的基础上发展起的基础上发展起来的,两者结构十分类似,来的,两者结构十分类似,不同之处是不同之处是IGBT多一个多一个P+层发射极,可形成层发射极,可形成PN结结J1,并由此引出漏极;门并由此引出漏极;门极和源极与极和源极与MOSFET相类相类似。
似。
1分类:
分类:
按缓冲区有无分为:
按缓冲区有无分为:
非对称型非对称型IGBTIGBT:
有缓冲区有缓冲区NN+,穿通型穿通型IGBTIGBT;由于由于NN+区存在,反向阻断能力弱,但正向压降低,关断时间区存在,反向阻断能力弱,但正向压降低,关断时间短,关断时尾部电流小。
短,关断时尾部电流小。
对称型对称型IGBTIGBT:
无缓冲区无缓冲区NN+,非穿通型非穿通型IGBTIGBT;具有正、反向阻断能力,其他特性较非对称型具有正、反向阻断能力,其他特性较非对称型IGBTIGBT差。
差。
按沟道类型:
按沟道类型:
NN沟道沟道IGBTIGBTPP沟道沟道IGBTIGBT2开通和关断原理:
开通和关断原理:
IGBT的开通和关断是由门极的开通和关断是由门极电压来控制的。
门极施以正电压电压来控制的。
门极施以正电压时,时,MOSFET内形成沟道,并为内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而晶体管提供基极电流,从而使使IGBT导通。
在门极上施以负电导通。
在门极上施以负电压时,压时,MOSFET内的沟道消失,内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,晶体管的基极电流被切断,IGBT即为关断。
即为关断。
VVDSDS为负时:
为负时:
J3J3结处于反偏状态,器件呈反向阻断状态。
结处于反偏状态,器件呈反向阻断状态。
VVDSDS为正时:
为正时:
VVGGVVVTT,绝缘门极下形成绝缘门极下形成NN沟道,由于载流子的相互作用,沟道,由于载流子的相互作用,在在N-N-区产生电导调制,使器件正向导通。
区产生电导调制,使器件正向导通。
关断时拖尾时间:
关断时拖尾时间:
在器件导通之后,若将门极电压突然减至在器件导通之后,若将门极电压突然减至零,则沟道消失,通过沟道的电子电流为零,使漏极电流有所零,则沟道消失,通过沟道的电子电流为零,使漏极电流有所突降,但由于突降,但由于NN-区中注入了大量的电子、空穴对,因而漏极电区中注入了大量的电子、空穴对,因而漏极电流不会马上为零,而出现一个拖尾时间。
流不会马上为零,而出现一个拖尾时间。
锁定现象:
由于锁定现象:
由于IGBTIGBT结构中寄生着结构中寄生着PNPNPNPN四层结构,存在着由四层结构,存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性,从而导致漏极电于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性,从而导致漏极电流失控,进而引起器件产生破坏性失效。
出现锁定现象的条件流失控,进而引起器件产生破坏性失效。
出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件:
就是晶闸管的触发导通条件:
1+2=1a.静态锁定:
静态锁定:
IGBT在稳态电流导通时出现的锁定,此时漏极电压低,锁定在稳态电流导通时出现的锁定,此时漏极电压低,锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。
发生在稳态电流密度超过某一数值时。
b.动态锁定:
动态锁定发生在开关过程中,在大电流、高电压的情况下、主动态锁定:
动态锁定发生在开关过程中,在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起要是因为在电流较大时引起1和和2的增加,以及由过大的的增加,以及由过大的dv/dt引起的位移电引起的位移电流造成的。
流造成的。
c.栅分布锁定:
是由于绝缘栅的电容效应,造成在开关过程中个别先开通或栅分布锁定:
是由于绝缘栅的电容效应,造成在开关过程中个别先开通或后关断的后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。
之中的电流密度过大而形成局部锁定。
采取各种工艺措施,可以提高锁定电流,克服由于锁定产生的失效。
采取各种工艺措施,可以提高锁定电流,克服由于锁定产生的失效。
三、基本特性:
三、基本特性:
(一)静态特性
(一)静态特性1伏安特性:
伏安特性:
几十伏,无反向阻断能力几十伏,无反向阻断能力饱和区饱和区放大区放大区击穿区击穿区2饱和电压特性:
饱和电压特性:
IGBT的电流密度较大,的电流密度较大,通态电压的温度系数在小通态电压的温度系数在小电流范围内为负。
大电流电流范围内为负。
大电流范围为正,其值大约为范围为正,其值大约为1.4倍倍100。
3转移特性:
转移特性:
与功率与功率MOSFET的转移特性的转移特性相同。
当门源电压相同。
当门源电压VGS小于开启小于开启电压电压VT时,时,IGBT处于关断状态,处于关断状态,加在门源间的最高电压由流过漏加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。
一般门源极的最大电流所限定。
一般门源电压最佳值电压最佳值15V。
4开关特性:
开关特性:
与功率与功率MOSFET相比,相比,IGBT通态压降要小得多,通态压降要小得多,1000V的的IGBT约有约有25的通态压降。
这的通态压降。
这是因为是因为IGBT中中N漂移区存在电导漂移区存在电导调制效应的缘故。
调制效应的缘故。
(二)动态特性
(二)动态特性1开通过程:
开通过程:
td(on):
开通延迟时间开通延迟时间tri:
电流上升时间电流上升时间tfv1,tfv2:
漏源电压下降时间漏源电压下降时间tfv1:
MOSFET单独工作时的单独工作时的电压下降时间。
电压下降时间。
tfv2:
MOSFET和和PNP管同时管同时工作时的电压下降时间。
随漏工作时的电压下降时间。
随漏源电压下降而延长;受源电压下降而延长;受PNP管管饱和过程影响。
饱和过程影响。
平台:
由于门源间流过驱动电流,门源平台:
由于门源间流过驱动电流,门源间呈二极管正向特性,间呈二极管正向特性,VGS维持不变。
维持不变。
2关断过程:
关断过程:
td(off):
延迟时间延迟时间trv:
VDS上升时间上升时间tfi2:
由:
由PNP晶体管中晶体管中存储电荷决定,此时存储电荷决定,此时MOSFET已关断,已关断,IGBT又无反向电压,又无反向电压,体内存储电荷很难迅体内存储电荷很难迅速消除,因此下降时速消除,因此下降时间较长,间较长,VDS较大,功较大,功耗较大。
一般无缓冲耗较大。
一般无缓冲区的,下降时间短。
区的,下降时间短。
由由MOSFET决定决定3开关时间:
用电流的动态波形确定开关时间。
开关时间:
用电流的动态波形确定开关时间。
漏极电流的开通时间和上升时间:
漏极电流的开通时间和上升时间:
开通时间:
开通时间:
ttonon=td(on)+tri上升时间:
上升时间:
tr=tfv1+tfv2漏极电流的关断时间和下降时间:
漏极电流的关断时间和下降时间:
关断时间:
关断时间:
ttoffoff=td(off)+trv下降时间:
下降时间:
ttff=tfi1+tfi2反向恢复时间:
反向恢复时间:
ttrrrr4开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系:
开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系:
5开关损耗与温度和漏极电流关系开关损耗与温度和漏极电流关系(三)擎住效应(三)擎住效应IGBT的锁定现象又称擎住效应。
的锁定现象又称擎住效应。
IGBT复合器件内有一个复合器件内有一个寄生晶闸管存在,它由寄生晶闸管存在,它由PNP利利NPN两个晶体管组成。
在两个晶体管组成。
在NPN晶晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr,在该电阻上,在该电阻上,P型体区的横向空穴流会产生一定压降。
对型体区的横向空穴流会产生一定压降。
对J3结来说相当于加一结来说相当于加一个正偏置电压。
在规定的漏极电流范围内,这个正偏压不大,个正偏置电压。
在规定的漏极电流范围内,这个正偏压不大,NPN晶体管不起作用。
当漏极电流人到晶体管不起作用。
当漏极电流人到定程度时,这个正偏定程度时,这个正偏量电压足以使量电压足以使NPN晶体管导通,进而使寄生晶闸管开通、门极晶体管导通,进而使寄生晶闸管开通、门极失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。
失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。
IGBT发生擎住效应后。
发生擎住效应后。
漏极电流增大造成过高的功耗,最后导致器件损坏。
漏极电流增大造成过高的功耗,最后导致器件损坏。
漏极通态电流的连续值超过临界值漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称时产生的擎住效应称为静态擎住现象。
为静态擎住现象。
IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。
动态擎住在关断的过程中会产生动态的擎住效应。
动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住时还要小,因此,制造厂家所规所允许的漏极电流比静态擎住时还要小,因此,制造厂家所规定的定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。
值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。
动态过程中擎住现象的产生主要由重加动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定,此外来决定,此外还受漏极电流还受漏极电流IDM以及结温以及结温Tj等因素的影响。
等因素的影响。
在使用中为了避免在使用中为了避免IGBT发生擎住现象发生擎住现象:
1设计电路时应保证设计电路时应保证IGBT中的电流不超过中的电流不超过IDM值;值;2用加大门极电阻用加大门极电阻RG的办法延长的办法延长IGBT的关断时间,减小重加的关断时间,减小重加dVDS/dt。
3器件制造厂家也在器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提的工艺与结构上想方设法尽可能提高高IDM值,尽量避免产生擎住效应。
值,尽量避免产生擎住效应。
(四)安全工作区四)安全工作区1FBSOA:
IGBT开通时正向偏置安全工作区。
开通时正向偏置安全工作区。
随导通时间的增加,损耗增大,发热严重,安全区逐步减小。
随导通时间的增加,损耗增大,发热严重,安全区逐步减小。
2RBSOA:
IGBT关断时反向偏置安全工作区。
关断时反向偏置安全工作区。
随随IGBT关断时的重加关断时的重加dVDS/dt改变,电压上升率改变,电压上升率dVDS/dt越大,越大,安全工作区越小。
通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设安全工作区越小。
通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加计可控制重加dVDS/dt,扩大扩大RBSOA。
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