IGBT绝缘栅双极晶体管

双极型器件GTR（大功率晶体管）结构示意图优点：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。单极型器件VMOS结构示意图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。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。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IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500—600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A，4500V；命名为IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)IGBT模块1700V/1200A，3300V/1200AIGBT模块PowerexCM300DY-24H4xIGBT4x二极管IGBT模块内部结构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。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、基本结构硅栅结构IGBT•IGBT的构造和功率MOSFET的对比如左图所示。IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，从而具有以下特征。MOSFETIGBT•1电压控制型元件•IGBT的理想等效电路，正如图2所示，是对pnp双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接(就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管)后形成的单片型Bi-MOS晶体管。因此，在门极—发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，pnp晶体管的基极—集电极间就连接上了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通状态。此后，使门极—发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，pnp晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。•2耐高压、大容量•IGBT和功率MOSFET同样，虽然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。等效电路Sα1α2DE（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203、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-IGBT21IGBT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。22一.非对称型IGBT的物理描述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23双载流子参与导电24•IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件。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。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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。图3.7.2IGBT伏安特性2、工作原理：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—+J1J2J3IGBT阻断原理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。MOSFETRbBJTGDS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。30思考与讨论1,请分析IGBT与MOSFET的区别。2,请分析IGBT的工作原理。31（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VBRICVCEIGBT的工作特性包括静态和动态两类：静态特性。IGBT的静态特性主要有伏安特性、饱和电压特性、转移特性和开关特性。32IGBT的伏安特性反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。图3.7.2IGBT的伏安特性和转移特性33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。34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。VCEIC35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。36UGEUGE(TH)(开启电压,一般为3～6V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；图3.7.2IGBT的伏安特性和转移特性IGBT的转移特性曲线（如图b）IGBT关断：IGBT开通：UGEUGE(TH)；37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38（二）动态特性1．开通过程：td(on)：开通延迟时间tri：电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时间tfv1：MOSFET单独工作时的电压下降时间。tfv2：MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受PNP管饱和过程影响。平台：由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，VGS维持不变。39IGBT的开关特性（1）IGBT的开通过程：•从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通延迟时间td(on)：IC从10%UCEM到10%ICM所需时间。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：•ton=td(on)+tr图3.7.3IGBT的开关特性402．关断过程：td(off)：延迟时间trv：VDS上升时间tfi2：由PNP晶体管中存储电荷决定，此时MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时间较长，VDS较大，功耗较大。一般无缓冲区的，下降时间短。由MOSFET决定41IGBT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之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2tfi1——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。图3.7.3IGBT的开关特性423．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。①漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：ton=td(on)+tri上升时间：tr=tfv1+tfv2②漏极电流的关断时间和下降时间：关断时间：toff=td(off)+trv下降时间：tf=tfi1+tfi2③反向恢复时间：trr43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44ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM45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464．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：475．开关损耗与温度和漏极电流关系48思考与讨论3,请画图并归纳说明IGBT的基本特性。1,请分析IGBT与MOSFET的区别。2,请分析I