IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型功率管,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电力电子器件, 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.
图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+ 区称为源区,附于其上的电极称为源极.N+ 区称为漏区.器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极.沟道在紧靠栅区边界形成.在漏、源之间的P 型区(包括P+ 和P 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region ).而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),它是IGBT 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压.附于漏注入区上的电极称为漏极.
IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT 导通.反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT 关断.IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性.当MOSFET 的沟道形成后,从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子),对N 一层进行电导调制,减小N 一层的电阻,使IGBT 在高电压时,也具有低的通态电压.
IGBT 的工作特性包括静态和动态两类:
1 ．静态特性
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性.
IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线.输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大.它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分.在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担.如果无N+ 缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围.
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线.它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态.在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与Ugs呈线性关系.最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右.
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低.尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分.此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示
Uds(on) ＝ Uj1 + Udr + IdRoh
式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻.
通态电流Ids 可用下式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流过MOSFET 的电流.
由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V .IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在.
2 ．动态特性
IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间.td(on) 为开通延迟时间, tri 为电流上升时间.实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和.漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成.
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生.当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况.因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高.
IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段.因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间.实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中,td(off)与trv之和又称为存储时间.
IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR.IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加.IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当.IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低.
正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上,目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用.国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域.与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展.
IGBT的发展历史
1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间.这种器件表现为一个类晶闸管的结构(P-N-P-N四层组成),其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅.
80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来.[2]在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计.后来,通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3].几年当中,这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米.
90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT,它是采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(PT)型芯片结构.[4]在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进.
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(NPT)结构,继而变化成弱穿通(LPT)结构,这就使安全工作区(SOA)得到同表面栅结构演变类似的改善.
这次从穿通(PT)型技术先进到非穿通(NPT)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化.这就是:穿通(PT)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏.另一方面,非穿通(NPT)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率,不过其载流子注入系数却比较低.进而言之,非穿通(NPT)技术又被软穿通(LPT)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(SPT)或“电场截止”(FS)型技术,这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善.
1996年,CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计.目前,包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化.
IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM.PIM向高压大电流发展,其产品水平为1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器.平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置.IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,提高系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中.智能化、模块化成为IGBT发展热点.
现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小.
根据前面描述的IGBT的工作原理,可以得到如图所示的IGBT输出特性.
(a)IGBT的输出特性(n沟道增强型) (b)转移特性IC=f(VCE)
IGBT的输出特性与转移特性
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.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 技术高出很多.较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,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.IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路.
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).如等效电路图所示(图1),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).
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之间的关系如图2所示.
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.
第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因.
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/N J3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.
闩锁
IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管,如图1所示.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:
当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现.
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:
防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别.
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.
正向导通特性
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.图3所示是理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件(寄生元件不考虑在内).
如图所示,IC是VCE的一个函数(静态特性),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(如图所示),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.本图描述了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.
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.如前文所述,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 (图4)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+C**) 值相等的寄生净值的时间常量(如图4所示),然后,改变*V/dti.数据表中常用的驱动电压是15V.一个电感负载的开关波形见图5,di/dt是Rg的一个函数,如图6所示,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.如前文所述,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.
安全运行区SOA
按电流和电压划分,一个IGBT的安全运行区可以分为三个主要区域,如下表所示:
这三个区域在图8中很容易识别 .
通常每一张数据表都提供了正向导通(正向偏置安全运行区FBSOA)、反向(反向偏置安全运行区RBSOA)和短路(短路安全运行SCSOA)时描述强度的曲线.
详细内容:
FBSOA
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,如图8所示.
RBSOA
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,见图9和10.
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.图11所示是三个具有等效特性但采用不同技术制造的器件的波形及关断时间 .
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 ,其中, 是负载系数.
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.
Psw = Ets
总损耗是两部分损耗之和:
Ptot = Pcond + Psw
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.
IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) 为 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 - 双 极 型 晶 体 管 的 英 文 缩 写. 智能功率器件可分成两大类,即智能功率集成电路与智能功率模块. 而IGBT属于智能功率模块.而他的工作频率可远高于普通功率管模块 .
智能功率模块是采用微电子技术和先进的制造工艺,把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体,能实现智能功率控制的商品化部件.模块大多采用密封式结构,以保证良好的电气绝缘和抗震性能.用户只须了解模块的外特性,即可使用.因此,它能简化设计工作,缩短系统的研制周期.国内外许多著名的模块厂商的产品都通过了IEC950(国际电工委员会)或UL1950(美国)、GS(德国)、CE(欧共体)安全认证,其质量可靠、安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性(EMC)标准、便于维修,上机合格率可达100%.
最近,国内也相继开发出变频空调器专用智能功率模块、电动机智能功率模块等新产品.
变频技术的发展始终与电力电子元器件的发展密不可分,从大功率二极管到可控硅器件,再从IGBT到IGCT,每一次元器件的飞跃都会带动变频器技术的发展.由于IGBT模块的驱动是电压控制,有更好的互换性,只要耐压、电流参数一样,不同型号的IGBT模块很多是可互换!有的安装尺寸不同的还可另钻孔!IGBT模块还可以用指针式万用表10K档检测其是否能动作,用指针(黑?红)去触发模块的G?E,可使模块C?E导通,当G?E短接时则C?E关闭! 这方法是最简单最基本的测量方法,是维修新手可以做到的,专业的可不是这样测量!
