|
|
|
|
绝缘栅双极晶体管IGBT特性与研发（一） |
|
[出处/作者]：周志敏 |
|
1 绝缘栅双极晶体管IGBT
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照像机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD
（FleeWheelDiode）成对地（2或6组）封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT
高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化
IGBT驱动器的原理图。
2 IGBT的结构与工作原理
2.1 IGBT的结构
就IGBT的结构而言，是在N沟道MOSFET的漏极n层上又附加上一层p层的p-n-pn+的四层结构。图1（a）为N沟道VDMOSFET与GTR
组合N沟道IGBT（N-IGBT）,IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由
MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管,RN为晶体管基区内的调制电阻。
2.2 IGBT的工作原理
N沟型的
IGBT工作是通过栅极－发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压，在栅极电极正下方的p层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极－发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图1（b）所示，IGBT的符号如图1（c）所示。在发射极电极侧形成n+pn－寄生晶体管。若n+pn－寄生晶体管工作，又变成p+n－
pn+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。
为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数α作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+n-p的电流放大系数α设计为0.5以下。
IGBT的闭锁电流IL为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。
2.2.1
导通：IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+
缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+
区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET
电流)；空穴电流（双极）。uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。
2.2.2 导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。
2.2.3
关断：当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。
鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC
和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和
TC有关。
栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。
2.2.4 反向阻断。当集电极被施加一个反向电压时，J1
就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。
2.2.5 正向阻断。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。
2.2.6
闩锁。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：
（1）
当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。
（2）只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。
为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。
此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1:5。
2.3 IGBT的基本特性
在通态中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驱动的PNP晶体管建模。假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让
MOSFET沟道形成，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE -Vth
时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极MOSFET和一个功率MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的,描述了VCE(sat)
作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个NPT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT器件相比，使用NPT会造成压降增加。
2.3.1
IGBT的静态特性。转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。如图2（a）所示。开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25°C时，UGE(th)的值一般为2—6V。
2.3.2 输出特性（伏安特性）。以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系，如图2（b）所示。其分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。
2.4 IGBT的动态特性
动态特性是指IGBT在开关期间的特性。鉴于IGBT的等效电路，要控制这个器件，必须驱动MOSFET
元件。这就是说，IGBT的驱动系统实际上应与MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。如前所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在MOSFET
部分形成一个N沟道。如果这一电子流产生的电压处于0.7V范围内， P+/N-
则处于正向偏压控制，少数载流子注入N区，形成一个空穴双极流。导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。通过改变栅电阻Rg
值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，输出寄生电容Cge和 Cgc可实现不同的电荷速率。换句话说，通过改变
Rg值，可以改变与Rg (Cge+Cgc)
值相等的寄生净值的时间常量，然后，改变dv/dt。数据表中常用的驱动电压是15V。di/dt是Rg的一个函数，栅电阻对IGBT的导通速率的影响是很明显的。因为Rg数值变化也会影响dv/dt斜率，因此，Rg值对功耗的影响很大。在关断时，再次出现了我们曾在具有功率MOSFET和
BJT
器件双重特性的等效模型中讨论过的特性。当发送到栅极的信号降低到密勒效应初始值时，VCE开始升高。如前所述，根据驱动器的情况，VCE达到最大电平而且受到Cge和
Cgc的密勒效应影响后，电流不会立即归零，相反会出现一个典型的尾状，其长度取决于少数载流子的寿命。
在IGBT处于正偏压期间，这些电荷被注入到N区，这是IGBT与MOSFET开关对比最不利特性之主要原因。降低这种有害现象有多种方式。例如，可以降低导通期间从P+基片注入的空穴数量的百分比，同时，通过提高掺杂质水平和缓冲层厚度，来提高重组速度。由于VCE(sat)
增高和潜在的闩锁问题，这种排除空穴的做法会降低电流的处理能力。
2.5 IGBT的开通过程
2.5.1 IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行（图3）。
开通延迟时间td(on) ——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%
ICM。
电流上升时间tr
——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。
开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和，uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。
2.5.2 IGBT的关断过程。关断延迟时间td(off)
——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM。
电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM
关断时间toff——关断延迟时间与电流下降时间之和，电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。
IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。
2.6 IGBT的主要参数
IGBT的特性和参数特点：开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当；相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力；通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与MOSFET
类似；IGBT与MOSFET和GTR相比，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。
2.6.1 最大集射极间电压UCES
由内部PNP晶体管的击穿电压确定；
2.6.2 最大集电极电流IC，包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；
2.6.3 最大集电极功耗PCM
正常工作温度下允许的最大功耗
2.6.4
最大工作频率。开关频率是用户选择适合的IGBT时需考虑的一个重要的参数，所有的硅片制造商都为不同的开关频率专门制造了不同的产品。特别是在电流流通并主要与VCE(sat)相关时，把导通损耗定义成功率损耗是可行的。这三者之间的表达式：Pcond
= VCE×
IC。开关损耗与IGBT的换向有关系；但是，主要与工作时的总能量消耗Ets相关，并与终端设备的频率的关系更加紧密。
总损耗是两部分损耗之和：
Ptot = Pcond +
Ets
在这一点上，总功耗显然与Ets和VCE(sat)两个主要参数有内在的联系。这些变量之间适度的平衡关系，与IGBT技术密切相关，并为客户最大限度降低终端设备的综合散热提供了选择的机会。因此，为最大限度地降低功耗，根据终端设备的频率，以及与特殊应用有内在联系的电平特性，用户应选择不同的器件。
2.7 IGBT的擎住效应和安全工作区
擎住效应或自锁效应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，
P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控,动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域：
2.7.1
正向导通（正向偏置安全运行区FBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。这部分安全运行区是指电子和空穴电流在导通瞬态时流过的区域。在IC处于饱和状态时，IGBT所能承受的最大电压是器件的物理极限。
2.7.2
反向（反向偏置安全运行区RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定.这个区域表示栅偏压为零或负值但因空穴电流没有消失而IC依然存在时的关断瞬态。如前文所述，如果电流增加过多，寄生晶体管会引发闩锁现象。当闩锁发生时，栅极将无法控制这个器件。最新版的
IGBT没有这种类型的特性，因为设计人员改进了IGBT的结构及工艺，寄生SCR的触发电流较正常工作承受的触发电流（典型Ilatch>5
IC
正常）高出很多。关于闭锁电流分别作为结温和栅电阻的一个函数的变化情况。
2.7.3 短路（短路安全运行SCSOA）；SCSOA是在电源电压条件下接通器件后所测得的驱动电路控制被测试器件的时间最大值。
(未完待续)
|
|
| |
|
|
|
|
