单元5_IGBT.

1单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件双极型器件GTR结构示意图2单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件优点：由于有少数载流子的注入对漂移区电导的调制，其通流能力一般都很高，电流密度约为200~300A/cm2，因此器件尺寸小，价格低。缺点：除开关速度低外，开关过程中的功率消耗太大。3单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件单极型器件VMOS结构示意图4单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件克服了双极型器件的以上二个缺点，但由于没有少数载流子的电导调制作用，以至于通态电阻Ron较大，通流能力较小。如600V耐压VMOS最大电流密度仅为10A/cm2。5单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件BiMOS器件兼双极和单极型器件所长构成的一种新型器件。这种新型器件设计与制造技术就是双极—MOS复合器件技术，简称BiMOS技术。如IGBT、MCT等。6单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件IGBTIGBT-绝缘栅双极晶体管——是一种新型电力电子器件，具有输入阻抗高、通态压降低、驱动电路简单、安全工作区宽、电流处理能力强的特点，广泛应用在电机控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速、低损耗的许多领域7单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件8单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件1700V/1200A，3300V/1200AIGBT模块9单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件10单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件PowerexCM300DY-24H4xIGBT4x二极管IGBT模块内部结构12单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件4.1IGBT的结构和工作原理IGBT是在VMOS的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多了一层P+层发射极，从而多了一个大面积的P+N结（J1）。IGBT也有N沟道和P沟道之分。13单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件集电极C铝栅结构IGBTIGBT每个器件单元实际上就是MOSFET和双极晶体管BJT的组合1、基本结构14单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件硅栅结构IGBT15单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件等效电路Sα1α2D16单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件17单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件E（S）C（D）G图形符号特点：具有通态密度高、正反向阻断能力强以及导通和关断双可控特点，且功耗小18单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件IGBT的集电极相对于发射极加负电压时，由于P+N结（J1）处于反偏状态，因而不管VDMOS的沟道体中有没有形成沟道，电流都不能在C、E间形成。因此IGBT比VMOS多了一个J1结，因而获得了反向电压阻断能力。反向阻断电压的高低决定于J1结的雪崩击穿电压。DS—+J1J2J32、工作原理：IGBT阻断原理19单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件DS—+J1J2J3IGBT的正向阻断电压则是由J2结的雪崩电压决定。因为VCE为正时，若栅极对发射极短路，J2结处于反向偏置状态而VDMOS未能形成导电沟道。但若此时对栅极加正向电压，沟道体表面形成沟道，IGBT进入正向导通状态。厚基区20单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件DS—+J1J2J3+（小）电子由N+发射区经反型层进入N基区。降低了N基区的电位。加速P+区向N-注入空穴进程。直到超过N基区中的多数载流子。只要栅压足够高，IGBT的通态伏安特性就与二极管的通态特性一样，即使阻断电压额定值较高的器件，其电流容量也能达到很高值。IGBT导通原理21单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件作为一个虚拟达林顿电路末级，PNP管从不进入深饱和区，它的电压降比处于深饱和区的同样PNP管要高。然而特别应该指出的是：一个IGBT发射极覆盖芯片的整个面积，因此它的注射效率和通态压降比同样尺寸的双极晶体管要优越得多。MOSFETRbBJTGDS22单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件对于已正向导通的IGBT，如果想令其转入关断状态，只须让VG=0即可，可以通过将栅极与发射极短路来实现。23单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件DS—+J1J2J3+（小）IGBT的C与E之间寄生了一个晶闸管（具有自锁能力），为什么不能通过VG=0而关断？避免IGBT在导通后被自锁的设计要点就是要保证α1+α21减小N+发射区的尺寸和P基区的薄层电阻，使J3结电压小于0.7VIGBT擎住效应24单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件IGBT的擎住（门插销）效应GCERNRPSCR★静态擎住★动态擎住★过热擎住P区体电阻RP引发擎住关断过急→位移电流ECEJidtduCCJ—PN结电容RG不能过小，限制关断时间。RP及PNP、NPN电流放大倍数因温度升高而增大。（150℃时ICM降至1/2）25单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件3、IGBT分类沟道N沟道IGBTP沟道IGBT缓冲区有，非对称型IGBT（穿通型）无，对称型IGBT（非穿通型）NPT-IGBT:非冲压机Throught-IGBTPT-IGBT:冲压机Throught-IGBT26单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件IGBT按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于P+发射区和N-飘移区之间的N+层。无缓冲区者称为对称型IGBT，有缓冲区者称为非对称型IGBT。因为结构不同，因而特性也不同。非对称型IGBT由于存在N+区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小；与此相反，对称型IGBT具有正反向阻断能力，其他特性却不及非对称型IGBT。目前商品化的IGBT单管或模块大部分是非对称型IGBT。27单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件一.非对称型IGBT的物理描述?0栅极源极漏极体区飘移区缓冲区注入区PNNNNPSiO2SiO2J3J2J1MOSFETRbBJTGDS★电导调制★反向阻断CE发射极集电极28单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件双载流子参与导电29单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件由N-硅通过扩散形成正面的P区和N+发射区，背面通过离子注入形成薄且浓度不高的P区；晶格较完整，硅片总厚度较薄（约100um）但阻断电压的高阻N-较厚，它的穿通电压高于雪崩击穿电压；开关速度快（C区即P区浓度不高；成本低（没有厚衬底高阻外延工艺）；同质单晶硅片NPT-IGBT30单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件PT-IGBT结构剖面示意图P+衬底（约500um）外延生长一层N+缓冲层（约10um），再外延生长一层N-（约100um），通过扩散形成P型和N层；穿通击穿电压低于雪崩击穿电压；通态压降低；工艺复杂、价格高；传统外延法制成穿通型IGBT31单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件硅片直接键合制成SDB-IGBT（硅径直的结合-IGBT)PN结是由P+与N-硅片在高温下通过硅片直接键合工艺而得到。此N-硅片在键合前先用离子注入法注入一层薄磷，使其形成N+缓冲层。最后再N-层上扩散P型层和N型发射层，形成PNPN四层器件。32单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件（1）静态特性伏安特性IGBT的伏安特性与GTR类似，不同之处是，控制参数是门源电压VGS，而不是基极电流，伏安特性分饱和区（Ⅰ）、放大区（Ⅱ）和击穿区（Ⅲ）。如果无N+缓冲区，正反向阻断电压可以做到同样水平，但加入缓冲区，反向阻断电压只有几十伏。4、工作特性与参数VBRICVCE33单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件当MOSFET的导电沟道充分开启，IGBT的集电极电流主要由钉二极管部份决定，其通态伏安特性为指数函数，而VMOS和GTR皆为线性关系。因此，在同样的耐压下，使用IGBT比使用VMOS和GTR更容易通过较大电流，获得更大的功率输出。如对于600V等级的器件，IGBT能够承受的最大电流密度一般是VMOS的20倍，是GTR的5倍左右。由于IGBT中的电导调制效应的影响，PT型IGBT的饱和压降，在小电流区域具有负温度系数，在大电流区域具有正温度系数。但NPT型IGBT中，电导调制效应的影响没有PT型IGBT强，因此NPT型IGBT具有正温度系数，适应于并联使用。饱和压降特性35单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件转移特性由图可知，IGBT电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流范围内为负，大电流范围内为正，其值约为1.4倍/100℃。这是因为在低电流区域，VBE、hFE起支配作用，故具有负的温度系数。而在大电流区Repi，Rch起支配作用，器件便具有正温度系数。VCEIC36单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件由于MOSFET和PNP管在这里是达林顿接法，其电流不会像MOSFET那样从零伏开始上升，而是存在着PNP晶体管VBE所需要的偏置电压。一旦电导调制效应发生后，其动态电阻与MOSFET相比则非常小。IGBT不适合于要求器件压降低于0.7V的场合下使用击穿电压高的IGBT器件电流容量较低。高耐压器件的N基区较宽。37单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件（2）动态特性（开关特性）IGBT动态特性iCtt1t2t3t4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt钳位效应：G-E驱动电流≈二极管正向特性拖尾电流MOS已经关断，IGBT存储电荷释放缓慢38单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(在)——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开通时间吨——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IGBT的开通过程?ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM40单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件关断过程为了从正向导通状态转入正向阻断状态，IGBT的栅极通过外电路与发射极短接，以便让栅电容放电。当栅电压下降到MOSFET的开启电压八度音阶以下时，沟道消失，MOS管关断，PNP基路。41单元5绝缘栅双击晶体管（IGBT）常州信息职业技术学院新型功率器件从器件结构来看，IGBT器件的总电流既含有来自沟道的MOS分量，又含有以PN结注入的双极分量，即IIGBT=IMOS+IBJT当沟道消失，MOS分量的