现代功率半导体 11.docx
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现代功率半导体11
现代功率半导体器件
现代功率半导体器件—IGBT
一、IGBT概述
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
1.IGBT的结构
IGBT是三端器件,具有栅极G、集电极C和发射极E,由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管GTR组合而成的达林顿结构,相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。
图1-1IGBT截面剖视图
2.IGBT的工作原理
IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的,两者结构十分类似,不同之处是IGBT多一个P+层发射极,可形成PN结J1,并由此引出漏极;门极和源极与MOSFET相类似。
IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。
门极施以正电压时,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通。
在门极上施以负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT即为关断。
1)VDS为负时:
J3结处于反偏状态,器件呈反向阻断状态。
2)VDS为正时:
VG VG>VT,绝缘门极下形成N沟道,由于载流子的相互作用,在N-区产生电导调制,使器件正向导通 3)关断时拖尾时间: 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,使漏极电流有所突降,但由于N-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。 4)锁定现象: 由于IGBT结构中寄生着PNPN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: α1+α2=1 a.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、主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加,以及由过大的dv/dt引起的位移电流造成的。 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后关断的IGBT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。 3.IGBT的基本特性 1)静态特性 a)转移特性b)输出特性 集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。 开启电压UGE(th)----最低栅射电压。 图3-1IGBT的转移特性和输出特性 c)饱和电压特性: IGBT的电流密度较大,通态电压的温度系数在小电流范围内为负。 大电流范围为正,其值大约为1.4倍/100℃。 图3-2饱和电压特性 d)开关特性: 与功率MOSFET相比,IGBT通态压降要小得多,1000V的IGBT约有2~5V的通态压降。 这是因为IGBT中N-漂移区存在电导调制效应的缘故。 图3-3开关特性 2)动态特性 图3-4IGBT的开关过程 a)开通过程: td(on): 开通延迟时间 tri: 电流上升时间 tfv1,tfv2: 漏源电压下降时间 tfv1: MOSFET单独工作时的电压下降时间。 tfv2: MOSFET、PNP管同时工作时的电压下降时间。 随漏源电压下降而延长;受PNP管饱和过程影响。 b)关断过程: td(off): 延迟时间 trv: VDS上升时间 tfi2: PNP晶体管中存储电荷决定,此时MOSFET已关断,IGBT又无反向电压,体内存储电荷很难迅速消除,因此下降时间较长,VDS较大,功耗较大。 一般无缓冲区的,下降时间短。 c)开关时间: 用电流的动态波形确定开关时间。 ①漏极电流的开通时间和上升时间: 开通时间: ton=td(on)+tri 上升时间: tr=tfv1+tfv2 ②漏极电流的关断时间和下降时间: 关断时间: toff=td(off)+trv 下降时间: tf=tfi1+tfi2 ③反向恢复时间: trr d)开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系: e)开关损耗与温度和漏极电流关系 3)IGBT的特性和参数特点总结如下: a)开关速度高,开关损耗小。 b)安全工作区比GTR大,耐脉冲电流冲击能力。 c)通态压降比VDMOSFET低,特别是在电流较大的区域。 d)输入阻抗高,其输入特性与电力MOSFET类似。 e)与电力MOSFET和GTR相比,IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高,同时保持开关频率高的特点。 4)IGBT的擎住效应 IGBT的锁定现象又称擎住效应。 IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在,它由PNP利NPN两个晶体管组成。 在NPN晶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,P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—定程度时,这个正偏量电压足以使NPN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。 IGBT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。 漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称为静态擎住现象。 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IDM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dv/dt来决定,此外还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。 在使用中为了避免IGBT发生擎住现象: a)设计电路时应保证IGBT中的电流不超过IDM值; b)用加大门极电阻RG的办法延长IGBT的关断时间,减小重加dVDS/dt。 c)器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提高IDM值,尽量避免产生擎住效应。 4.IGBT模块的损耗、温度和安全运行 1)损耗来源 a)导通损耗 b)开通关断损耗 c)反向恢复损耗
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