IGBT

結(jié)構(gòu)

IGBT結(jié)構(gòu)圖左邊所示為一個(gè)N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。P+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)（包括P+ 和P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ Subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

工作特性

靜態(tài)特性

IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。通態(tài)電流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos ——流過MOSFET 的電流。由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

動(dòng)態(tài)特性

IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期，PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton 即為td(on)tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv十t(f)式中，td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級(jí)達(dá)到10KV以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓應(yīng)用。國(guó)外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國(guó)的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進(jìn)展。

發(fā)展歷史

1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個(gè)類晶閘管的結(jié)構(gòu)（P-N-P-N四層組成），其特點(diǎn)是通過強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來。[2]在那個(gè)時(shí)候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計(jì)。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個(gè)顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對(duì)應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的n+緩沖層而進(jìn)展的[3]。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。[4]在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。 　　這次從穿通（PT）型技術(shù)先進(jìn)到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會(huì)有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對(duì)少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對(duì)少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本—性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。1996年，CSTBT（載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ?rdquo;（逆導(dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)?，F(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路.其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。

輸出特性與轉(zhuǎn)移特性

IGBT與MOSFET的對(duì)比MOSEFT全稱功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它的三個(gè)極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。主要優(yōu)點(diǎn)：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點(diǎn)：擊穿電壓低，工作電流小。 IGBT全稱絕緣柵雙極晶體管，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。特點(diǎn)：擊穿電壓可達(dá)1200V，集電極最大飽和電流已超過1500A。由IGBT作為逆變器件的變頻器的容量達(dá)250kVA以上，工作頻率可達(dá)20kHz。

模塊簡(jiǎn)介

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。

若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極—發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。

等效電路

IGBT模塊的選擇

IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時(shí)，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時(shí)，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。

使用中的注意事項(xiàng)

由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到20～30V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊；盡量在底板良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。此外，在柵極—發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。

保管時(shí)的注意事項(xiàng)

一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為5～35℃ ，常濕的規(guī)定在45～75％左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合；在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方；保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物；裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。