此教程翻譯自IXYS公司的Abdus Sattar所著英文應用筆記:Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Basics.同時加了一些本人的注解.主要內容是介紹IXYS公司的IGBT的基本特性與工作性能.但是這些基礎知識是通用的,也可應用在其他公司的IGBT產(chǎn)品上.本人水平有限,此文僅供參考,如有錯誤敬請指出.

IGBT的基本原理

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)是一種少數(shù)載流子器件,具有輸入阻抗高,電流承載能力強的特點.從電路設計者的角度來看,IGBT具有MOS器件的輸入特性且有雙極器件的電流輸出能力,是一種電壓控制型雙極型器件.IGBT被發(fā)明的目的是為了綜合功率MOSFET與BJT兩種器件的優(yōu)點.可以講IGBT是功率MOSFET與BJT合二為一的化身.兩者優(yōu)點集中在一體從而能有優(yōu)異的性能.

IGBT適合于功率電路中的很多種應用,尤其是PWM驅動,三相驅動這些需要高動態(tài)控制與低噪音的應用場景.其他應用UPS,開關電源等等需要高開關頻率的場景也適合使用IGBT.IGBT的特點是能提供高的動態(tài)性能,轉換效率,同時具有低的可聽到的噪音.它也適用于諧振模式的轉換/逆變電路.有專門為低傳導損耗與低開關損耗優(yōu)化的IGBT器件.

IGBT對于功率MOSFET與BJT的主要優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾點:

1.具有非常低的導通壓降與優(yōu)秀的導通電流密度.所以可以使用更小尺寸的器件從而降低成本.

2.因為柵極結構使用MOS管的同類設計,所以驅動功率非常小,驅動電路也很簡單.與可控硅/BJT這些電流控制型器件來比,在高壓與高電流應用場景,IGBT非常易于控制.

3.與BJT相比具有更好的電流傳導能力.在正向與反向隔離方面參數(shù)也更優(yōu)秀.

除了優(yōu)點,IGBT也有它的不足之處:

1.開關速度低于功率MOSFET,但是高于BJT.因為是少數(shù)載流子器件,集電極電流殘余導致關斷速度較慢.

2.因為內部的PNPN型可控硅結構,有一定概率會鎖死.

IGBT的長處在于增強電壓隔斷的能力.比如說對于MOSFET,隨著擊穿電壓的增加,導通電阻會增加非?？?原因在于為了提高擊穿電壓,漂移區(qū)的厚度與本身電阻必須增加.所以實踐中,一般不會設計同時具有高電流承載能力與高擊穿電壓的MOSFET.而對于IGBT,因為在導通時有高度集中的注入少數(shù)載流子,漂移區(qū)的電阻大大減小.故此漂移區(qū)的正向壓降僅僅與其厚度相關而與其本身的電阻相對獨立.

基本結構

圖1所示為使用DMOS工藝制作的典型的N通道的IGBT的簡化原理圖.此結構只是可能選用的多種結構之一.可以看出除了P+注入層,IGBT的硅交叉區(qū)與垂直功率MOSFET基本一樣.在柵極區(qū)與N+源區(qū)的P阱,IGBT與MOSFET幾乎沒有區(qū)別.頂部的N+曾是S極或者發(fā)射極,底部的P+曾是D極或者集電極.如果在摻雜時使用相反的順序,那么制作出來的就是P通道IGBT.IGBT因為NPNP的結構所以會有一個寄生的可控硅(thyristor).一般不希望此可控硅導通.

圖1典型的N通道IGBT結構圖

某些IGBT在制造的時候沒有加上N+緩沖層,被稱為非穿型(NPT)IGBT.相對的有這個緩沖層的被稱之為穿型(PT)IGBT.如果摻雜與此層厚度設計恰當,此層能大大提升整個器件的性能.盡管在外形上IGBT類似于MOSFET,但在實際工作中IGBT更加類似于BJT.這是因為P+的漏層(注入層)能將少數(shù)載流子注入N-漂移區(qū)從而導致的導通調制特性.

圖2IGBT的等效電路

從上述分析可以畫出IGBT的等效電路圖(圖2).等效電路包含MOSFET,JFET,NPN與PNP三極管.PNP的集電極與NPN的基極相連.NPN的集電極通過JFET與PNP的基極相連.NPN與PNP代表了寄生的可控硅,這個可控硅會帶來一個再生型的反饋回路.RB為NPN的BE結電阻,其作用是保證寄生可控硅不至于鎖定從而保證IGBT不鎖定.JFET代表的是任意相鄰的兩個IGBT之間的收縮電流.JFET在大多數(shù)電壓范圍存在,使得MOSFET保持在低壓從而導致低的RDS(on)值.圖3所示為IGBT的電路符號.三個極分別叫做集電極(C),柵極(G)與發(fā)射極(E).

圖3 IGBT的電路符號

IXYS的產(chǎn)品同時包括NPT與PT型IGBT.兩種類型的物理結構如圖4所示.如前文所述,PT類型有一個額外的層.這個曾有兩個主要功能:(i)避免因為因為高電壓而導致的耗盡區(qū)擴展,從而避免了穿通型失效.(ii)因為P+集電區(qū)注入的空穴部分在此層重新組合而減小了關斷時的殘余電流,從而縮短了關斷的下降時間.NPT型的IGBT,具有同樣的正向與反向擊穿電壓,適合于交流應用.PT型的IGBT,反向擊穿電壓低于正向擊穿電壓,適合于直流電路(因為直流電路中器件無須再反向承擔電壓).

圖4NPT與PT型的IGBT結構

表1:NPT與PT型的IGBT特性對比

工作模式

正向關斷與導通模式

如圖1所示,當集電極-發(fā)射極加上正向電壓且柵極與發(fā)射極短路,IGBT進入正向關斷模式.此時J1與J3結正向偏置,J2反向偏置.J2兩端的耗盡區(qū)部分地擴散至P基極與N漂移區(qū).

當將柵極與發(fā)射極之間的短路移除,并且對柵極加已足夠的電壓以使P基極區(qū)的硅反向,IGBT從正向關斷模式轉移至正向導通模式.此種模式下,N+發(fā)射極與N-漂移區(qū)之間形成一個導通通道.N+發(fā)射極的電子通過此通道流向N-漂移區(qū).流向N-漂移區(qū)的電子使得N-漂移區(qū)的電位降低,而P+集電極/N-漂移區(qū)的結被正向偏置.從而高密度的少數(shù)載流子空穴從P+集電極注入到N-漂移區(qū).當注入的載流子密度遠遠高于背景密度時,在N-漂移區(qū)建立起被稱作空穴離子流條件的情形.此種空穴離子流將電子從發(fā)射極吸引至發(fā)射極以維持局部電荷中和.如此在N-漂移區(qū)建立起某種空穴與電子的分區(qū)集中.此種分區(qū)集中大大提高N-漂移區(qū)的導電性能.這種機制被稱作N-漂移區(qū)的導通調制.

反向關斷模式

當如圖1所示在集電極與發(fā)射極之間加上負電壓,J1反向偏置,其耗盡區(qū)擴散至N-漂移區(qū).反向關斷的擊穿電壓由P+集電極/N-漂移區(qū)/P基極所形成的開基極BJT決定.如果N-漂移區(qū)的摻雜不足,此器件將易于被擊穿.要獲得所需要的擊穿電壓,必須控制N-漂移區(qū)的電阻與厚度.

要獲取反向擊穿電壓與正向壓降的具體參數(shù),以下是計算N-漂移區(qū)的寬度公式:

其中:

LP: 少數(shù)載流子雜散長度

Vm: 最大關斷電壓

εo: 自由區(qū)的介電常數(shù)

εs: 硅的介質常數(shù)

q: 電荷

ND: N漂移區(qū)的摻雜密度

注意: 大多數(shù)應用中IGBT的反向關斷非常罕見,而是一般使用反并二極管(FRED)

輸出特性

圖5所示為一個NPT-IGBT的正向輸出特性圖.這是一個曲線群,每條代表不同的柵極-發(fā)射極電壓情況.集電極電流(IC)在VGE固定時為VCE的一個函數(shù).

圖5NPT-IGBT的I-V輸出曲線

需要注意的是0.7V的偏移電壓.這是因為對于P+集電極的IGBT,會有一個額外的PN結.這個PN結使得IGBT的特性與MOSFET區(qū)分開來.

傳輸特性

傳輸特性指的是不同溫度下,比如25度,125度,-40度時,ICE對于VGE變化的響應函數(shù).如圖6所示.給定溫度下傳輸特性的梯度被稱作該器件在該溫度下的跨導(gfs).

圖6 IGBT的傳輸特性

一般來說較低柵極電壓下要獲取高的電流能力,希望gfs的值比較大.通道與柵極的結構決定了gfs的值.gfs與RDS(on)均由通道的長度來控制,而通道的長度由P基與N+發(fā)射極的擴散深度的差值來決定.傳輸特性曲線上的切線決定了器件的閾值/門限電壓(VGE(th)).

圖7某IGBT的跨導特性

圖7所示為某IGBT的跨導特性(IC-gfs).當集電極電流增加,gfs隨之增加,但是隨著集電極電流繼續(xù)增加,gfs的增長曲線慢慢平緩.這是因為寄生MOSFET的飽和現(xiàn)象減緩了PNP三極管的基極的驅動電流的增加.

開關特性

IGBT的開關特性與MOSFET的開關特性非常相似.主要差別在于:由于N-漂移區(qū)會儲存電荷會導致一個殘余集電極電流.此殘余電流增加了關斷損耗也需要半橋電路中兩個器件關斷之間的死區(qū)時間相應增加.圖8顯示了開關特性的測試電路.圖9顯示了相應的開啟與關斷的電壓電流波形.IXYS的IGBT產(chǎn)品在測試時使用15V到0V的柵極電壓.為了降低開關損耗,建議在關斷時給柵極加一個負電壓(比如-15V).

圖8開關特性測試電路

IGBT的開關速度受限于寄生PNP三極管的基極的N-漂移區(qū)的少數(shù)載流子的生命周期.此區(qū)對于外部來講是不可操作的,故此沒有外部手段來增加移除此電荷的速度以提高開關速度.此電荷移除的唯一途徑是在IGBT內部重新中和.此外增加N+緩沖區(qū)以收集少數(shù)載流子電荷能夠增加此電荷的中和速度.

圖9 IGBT的開啟關斷電壓電流波形

Eon表示導通能量,是IC*VCE在從10%的ICE到90%的VCE區(qū)間的積分.導通能量的大小取決于續(xù)流二極管的反向恢復特性,所以如果IGBT當中包含續(xù)流二極管時一定要特別注意.

Eoff表示關斷能量,是IC*VCE在10%的VCE到90%的IC區(qū)間的積分.Eoff是IGBT的開關損耗的主要組成部分.

鎖死/鎖定(Latch-up)

在導通狀態(tài),IGBT內部電流走向如圖10所示.從P+集電極注入N-漂移區(qū)的空穴形成兩個電流路徑.空穴中的一部分因為與MOSFET通道的電子中和而消失.其他部分的空穴受電子的負電荷所吸引至反向層的附近,從外延穿過P層,在體歐姆電阻區(qū)形成壓降.如果這個電壓足夠大,將正向偏置N+P結,同時大量的電子從發(fā)射極注入而在寄生NPN三極管將被開啟.如果這種現(xiàn)象發(fā)生寄生的NPN與PNP三極管將被同時導通,故此兩個管子組成的可控硅將被鎖定(Latchup),從而使整個IGBT發(fā)生鎖定.一旦鎖定發(fā)生,柵極電壓將失去對集電極的電流的控制作用,此時唯一關閉IGBT的方法是強制電換向,就像真正的可控硅中的情形一樣.

圖10 IGBT導通狀態(tài)的電流流向

如果此種鎖定狀態(tài)不能快速被終止,IGBT將因為過大的耗散功率而被燒毀.IGBT能通過的最大的不引起鎖定的尖峰電流稱之為(ICM).器件的數(shù)據(jù)手冊中都會寫明這個參數(shù).超過此電流值,足夠大的外圍電壓降就會激活可控硅從而導致鎖定.

安全工作區(qū)(Safe Operating Area,SOA)

所謂的安全工作區(qū)是指的電流-電壓兩者圍成的一個區(qū)間,此區(qū)間內器件能安全工作不至于被損壞.對于IGBT,此區(qū)間由最大的集電極-發(fā)射極電壓VCE與集電極電流Ic定義,此區(qū)間內IGBT能安全運轉不至被損壞.IGBT的安全工作區(qū)有如下類型:正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA),反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)與短路安全工作區(qū)(SCSOA).

正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)

對于感性負載的應用來說,FBSOA是個重要的特性.由最大的集電極-發(fā)射極電壓與飽和的集電極電流來決定.此種模式下,電子與空穴通過漂移區(qū)移動,并維持比較高的集電極電壓.漂移區(qū)的電子與空穴的密度與當前電流密度的關系為:

其中Vsat,n與Vsat,p分別為電子與空穴的飽和漂移速度.漂移區(qū)的凈正電荷為:

此電荷決定了漂移區(qū)的電場分布.在穩(wěn)態(tài)的正向關斷條件下,漂移區(qū)的電荷等于ND.正向安全工作區(qū)間中,凈電荷要遠遠大于ND,這是因為空穴的密度遠遠大于電子流的密度.

正向安全工作區(qū)的擊穿電壓為:

反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)

對于關斷的瞬態(tài)分析來講,RBSOA為重要的狀態(tài).能關斷的電流限于IGBT的額定電流的兩倍.比如某額定電流為1200A的IGBT能關斷的最大電流為2400A.最大電流為關斷時集電極與發(fā)射極之間尖峰電壓的函數(shù).VCE的峰值等于直流電壓與LбdIC/dt的乘積.Lб為功率電路的雜散電感.RBSOA下的最大電流IC與VCE的關系參見圖11.

圖11IGBT的反向安全工作區(qū)

此模式下,柵極的偏置為0或者負電壓,如此一來漂移區(qū)的電流僅僅通過空穴來進行(N通道的IGBT).空穴增加了漂移區(qū)的電荷,因此P基/N漂移區(qū)節(jié)點的電場增加了.此條件下空電荷區(qū)的凈電荷為:

其中Jc為集電極電流總和.RBSOA的雪崩電壓為:

短路安全工作區(qū)(SCSOA)

對于工作在電機控制應用的器件,一個關鍵要求是能夠在負載短路時安全關斷.當電流超載,集電極的電流迅速上升直至器件能承受的極限.器件能在此條件下不至于損壞的條件就是能在控制電路檢測到短路狀態(tài)并關斷器件之前將電流幅度限制在一個安全的級別.

IGBT的集電極電流IC為柵極-發(fā)射極電壓VGE與溫度T的函數(shù).圖6所示的傳輸特性表明了給定VGE時最大的IC值.對于15V的VGE,其值限定為80A,大約是額定值的1.5倍.考慮到短路電流經(jīng)常是額定電流的6-7倍,這個值算是非常小了.

圖12SCSOA測試電路

圖12展示了一個SCSOA的測試電路.短路電感值決定了電路的工作模式.當此值為uH級別,電路工作模式類似于正常的感性負載開關.當IGBT開啟,VCE降至飽和電壓.IC以dIC/dt的速率增加,IGBT逐漸飽和.當集電極電流高于2倍的額定電流時不允許關斷操作,因為這樣做是超出RBSOA的.如果短路發(fā)生,必須等待設備達到活躍工作區(qū).必須在10us內關閉IGBT以免器件因為過熱而損壞.

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