36IGBT

1内容提要：•3.6.1概述•3.6.2IGBT的结构和工作原理•3.6.3IGBT的基本特性•3.6.4IGBT的栅极驱动和保护•3.6.5IGBT的发展历程•3.6.6IGBT的未来展望3.6绝缘栅双极晶体管（IGBT）2两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT)——1984年，巴利伽等人发表了《绝缘栅晶体管》的文章GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。3.6.1概述——IGBT在高频大功率化背景下诞生34•在很宽的工作电流范围内具有正电阻温度系数，便于多芯片并联•开关速度快（ns级）•反向恢复时间短，为采用新型特快动作的压敏保护器件来实现IGBT“直接串联”提供了技术上的可能•开关损耗远低于双极型器件，而通态损耗越来越接近双极型器件，于是总功率损耗降低•不存在晶闸管类器件在开通过程中必然存在的电流集中在初始导通区域然后再逐步向全面积扩展的“慢”过程，有更高的di/dt耐量，开通过程更加均匀•比GTO、晶闸管和某些IGCT等双极型器件有高得多的du/dt耐量经过20多年发展，IGBT日臻完善，现代IGBT具有以下明显优点：5三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号3.6.2IGBT的结构和工作原理6N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。将VDMOSFET的N+注入区换成P+注入区，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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号IGBT的结构7驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：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。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：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。IGBT的原理81、IGBT的静态特性输出特性•分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。3.6.3IGBT的基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加9ICUGE(th)UGEO转移特性——IC与UGE间的关系(阈值电压UGE(th))1、IGBT的静态特性3.6.3IGBT的基本特性饱和电压特性——通态电压温度系数在小电流范围内为负，大电流范围为正10ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程IGBT的开通过程与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)电流上升时间tr开通时间tonuCE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、IGBT的动态特性3.6.3IGBT的基本特性11IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间tf关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的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的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM2、IGBT的动态特性3.6.3IGBT的基本特性122、IGBT的动态特性IGBT关断过程中IC和UC的变化情况CCII)1(1关断过程中集电极的变化情况取决于负载的性质13IGBT的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关，尤其门极电阻对开关时间的影响更大2、IGBT的动态特性142、IGBT的动态特性开通损耗特性关断损耗特性100A／600VIGBT15•由IGBT的饱和电压特性、开通损耗特性和关断损耗特性可计算总功耗。•例如：Ic＝40A，脉冲占空系数DF＝50％，f=20kHz，Tj＝125℃，则fEEDFIVPoffonCCET)()(W12620)1.22.2(5.0)402(2、IGBT的动态特性16•擎住效应，也称晶闸管效应、闭锁效应，是指IGBT工作电流增大到某个值时，虽撤去栅偏压，器件依然导通；即器件被栅压触发导通后，栅压不再具有控制能力。•此时器件处于不稳定状态，对IGBT而言是一种故障现象。•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。3、IGBT的擎住效应3.6.3IGBT的基本特性173、IGBT的擎住效应3.6.3IGBT的基本特性(1)产生擎住效应的原因考虑了寄生n+pn晶体管的等效电路图IGBT器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP和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Rb，在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对于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。当漏极电流大到一定程度时，这个正偏置电压足以使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。18•出现擎住效应的条件•IGBT发生擎住的临界擎住电流为（静态擎住）1NPNPNPbPNPCLRI7.03、IGBT的擎住效应(1)产生擎住效应的原因193、IGBT的擎住效应3.6.3IGBT的基本特性(2)典型的擎住特性曲线AB段：MOSFET栅控下的PNP管工作区BC段：MOSFET栅控下的PNP管、NPN管共同工作区。此时，Rb上的压降逐渐增大，但NPN管仍然处于未导通状态，C点：正向转折点，对应的电压称为正向转折电压VBF，条件已满足，触发了PNPN寄生晶闸管的正反馈过程，使得IGBT发生擎住，阳极电流迅速增加CD段：负阻区DE段：PIN区1NPNPNP1NPNPNP20•减小短路电阻RbP+中心扩散方法缩短N+源区的横向长度采用自对准技术•背面定域P+扩散法与阳极短路法•加一薄的N+缓冲层•控制少数载流子寿命•选择合理的栅源结构3、IGBT的擎住效应3.6.3IGBT的基本特性(3)防止擎住效应的措施NEXT21带有发射极腐蚀坑的元胞结构BACK22背面定域P+扩散结构阳极短路结构BACK23加N+缓冲层的IGBT结构24关于N+缓冲层•无N+缓冲层的IGBT中，正、反向阻断电压相等，故称对称型器件•有N+缓冲层的IGBT称非对称型器件•很多应用领域并不要求器件是对称型的（如电压型逆变器），所以非对称型器件很受重视加入N+缓冲层的IGBT结构有如下特点：抗擎住能力增强正向阻断电压提高正向导通电压减小关断时间缩短反向阻断电压减小25N+缓冲层提高正向阻断电压对称IGBT电场呈三角形分布非对称IGBT电场呈矩形分布26N+缓冲层减小正向导通电压)(1onNDJTRRiVV3171610~10cmNdRN由漏区厚度决定，在非对称结构中，由于N+缓冲层加入，N-漏区的厚度仅为对称结构的一半N+缓冲层缩短关断时间N+缓冲层一般设计为md10缓冲层降低了发射极注入效率，也就降低了电流增益β，则MOS电流分量将成为总电流的主要部分，而这部分电流是因沟道被切断迅速实现关断的，这部分电流越大，拖尾电流便越小，因而下降时间也越短BACK274、安全工作区3.6.3IGBT的基本特性——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。正向偏置安全工作区（FBSOA）28反向偏置安全工作区（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。4、安全工作区3.6.3IGBT的基本特性29——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCES5、IGBT的主要参数3.6.3IGBT的基本特性30IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。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。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。3.6.3IGBT的基本特性313.6.4IGBT的栅极驱动和保护1、IGBT的栅极驱动驱动电路——主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。–双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。–为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。32驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1、IGBT的栅极驱动331、IGBT的栅极驱动IGBT的栅极驱动条件密切关系它的静态和动态特性。栅极驱动条件与器件特性的关系341、IGBT的栅极驱动正偏电压VGE的影响栅极驱动电路通态电压与正偏压的关系开通损耗与正偏压的关系351、IGBT的栅极驱动负偏电压-VGE的影响负偏压与浪涌电流关系关断损耗与负偏压关系试验电路361、IGBT的栅极驱动栅极电阻RG的影响Eon与Eoff与RG的关系diC/dt与RG的关系37由于是容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷积聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。用低内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通后，栅极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。栅极电路中的正偏压应为+12～+15V；负偏压应为-2V～-10V。IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。栅极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。对IGBT驱动电路的要求和条件：1、IGBT的栅极驱动38将IGBT用于电力变换时，为了保证其安全