IGBT基本原理

1、IGBT简介 2016.01.08IGBT介绍01IGBT发展背景02IGBT结构、原理、电气特性03C O N T E N T S IGBT三菱西门子IGBT： 是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。三大特点就是高压、大电流、高速。它是电力电子领域非常理想的开关器件。1.IGBT定义 I G BT， 绝缘栅双极晶体管 ( I n s o l a ted G a t B i p o l a r Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率

2、半导体器件。电力半导体器分类不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功 率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、 绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。电流驱动型:通过从控制端注入或者抽出电流来实现对器件的导通或者关断的控制。例如三极管BJT等。电压型驱动:通过在控制端和公共端之间的电压信号来实现对器件导通或者关断的控制。例如IGBT等。1.IGBT定义IG

3、BT由BJT（双极性三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）复合而成BJT（Bipolar Junction Transistor）:双极性晶体管（晶体三极管），“双极性”是指工作时有两种带有不同极性电荷的载流子参与导电。场效应管（FET）：利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称为单极型晶体管。绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect

4、Transistor）1.IGBT 简化等效电路 由图可知IGBT是以双极型晶体管为主导元件,以MOSFET为驱动元件的达林顿结构。 忽略虚线部分，相当于由N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管的达林顿管。 达林顿管就是两个三极管接在一起，极性只认前面的三极管，应用于大功率开关电路。二 IGBT发展历史背景历史产品回顾50年代第一代可控硅SCR功率容量大，但开关速度低，关断不可控，因强制换流关断使控制电路非常复杂70年代第二代70年代末第三代80年代第四代future第N代门 极 可 关 断晶闸管 GTO 和 巨 型 双 极晶体管GTR 。自关断器件, 控 制 电 路 简化 。 但 它 们共 同

5、 存 在 驱动 电 流 大 、功耗损失功率场效应晶体管 VDMOS和静电感应晶体管 SIT。开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单 ， 但是导通电阻大，不耐高压IGBT ？历史产品比较产品产品特点特点SCR功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、因强制换流关断使控制电路非常复杂, 限制了它的应用。GTO、GTR它们都是自关断器件,开关速度比 SCR 高, 控制电路也得到了简化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分别达到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的开关速度还是较低,GTR 存在二次击穿

6、和不易并联问题。 另外, 它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。 VDMOS、SIT具开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。 但导通电阻限制了它们的电流容量和功率容量。不过, 人们利用超大规模 IC 技术把 VDMOS 的元胞尺寸做得很小 (只有几个平方微米) , 大大增加了元胞的数量、减小了导通电阻、提高了电流容量。但是, 功率容量还是很低。100V 以下,VDMOS 是最理想的开关器件。IGBT目前, IGBT器件已从第1代发展到了第4代，它的工作频率可达到 200KH z。它的功率容量从小功率 (80-300A/500-1200V ) 的单管发展到超大功率 (100

7、0-1200A/2500-4500 V) 的模块, 形成了系列化产品,产品覆盖面非常大。非穿通型(NPT)结构拥有缓冲层的穿通型(PT)结构场终止型、软穿通型结构平面栅结构垂直于芯片表面的沟槽型结构外延生长技术区熔硅单晶器件纵向结构栅极结构硅片的加工工艺回顾IGBT的发展历程,其主要从三方面发展演变 二二 IGBTIGBT发展历史发展历史国外纵观全球市场，IGBT主要供应厂商基本是欧美及日本几家公司,它们代表着目前IGBT技术的最高水平,包括德国英飞凌、瑞士ABB、美国IR、飞兆以及日本三菱、东芝、富士等公司。在高电压等级领域(3300V以上)更是完全由其中几家公司所控制,在大功率沟槽技术方面

8、,英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。这些公司不仅牢牢控制着市场,还在技术上拥有着大量的专利。国内IGBT产业在最近几年也得到了快速发展国内外IGBT产业现状国内三 IGBT结构 IGBT是在VDMOSFET基础之上演化发展而来的，结构十分相似,主要不同之处是IGBT用P+衬底取代了VDMOS的N+衬底,形成PNPN四层结构,正向导通时J1结正偏,发生一系列反应，产生PN结电导调制效应,从而有效降低了导通电阻和导通电压，增大了IGBT的流通能力。电导调制效应是IGBT最主要的特征,也是IGBT区别于VDMOS的本质所在。三 IGBT工作原理 IGBT的开通和关断是由栅-射极电压UGE控制,当UG

9、E正向且大于开启电压UGE（th）时,MOSFET内部形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,使得IGBT导通。在栅极加零或负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶中的基极电流被切断,IGBT被关断。三 IGBT电气特性静态特性静态特性主要包括:转移特性、输出特性 当 时,IGBT处于关断状态。 当 时,IC和UGE大部分是线性的,只在UGE很小时,才是非线性。开启电压UGE(th)随温度升高略有下降,温度每升高1C,其值下降5mv左右,在25时,一般为2一6V;最高栅-射电压受最大集电极电流的限制,一般选取在15V左右。常数CEuGEcufi)()(thGEGEUu)(thGEGEUu转

10、移特性三 IGBT电气特性静态特性 它描述栅射电压为参考变量时,集电极电流IC与集射电压UCE之间的关系。URM是IGBT能够承受的最高反向阻断电压 UFM是IGBT能够承受的最高正向阻断电压,当UCE0时，IGBT为反向工作状态,IGBT只有很小的集电极漏电流流过; 由于IGBT的反向阻断能力很低,一般只研究IGBT的的正向输出特性 。IGBT的输出特性分为正向阻断区、有源和饱和区。其中饱和区是以单极性 MOS结构特性为主,门极电压越高,饱和电流越大;有源区则以晶体管特性为主,电压和电流都很大,损耗大,通常是一个瞬态过程,故 IGBT 在电力电子电路中,主要是工作在开关状态,即工作在正向阻断

11、区和饱和区。常数GEuCEcufi)(输出特性/伏安特性三 IGBT电气特性静态特性 当栅极电压为零或负压时,IGBT关断并承受正向电压,表现为IGBT正向阻断特性。在电力电子电路中,IGBT经常会直接承受较高的负载电压,所以选择IGBT首先就要考虑IGBT的电压等级也就是IGBT正向阻断电压的能力。 目前市场上IGBT的电压等级主要分为600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的电压等级表示IGBT可以阻断多少正向电压,超过相应的电压等级器件的漏电流会开始大量增加,短时间内器件也许不会损坏,但长时间会导致器件击穿甚至烧毁。IGBT工作在开关状态,就是在正向阻

12、断区和饱和区之间来回切换。静态开关特性可以看成开通时基本与纵轴重合,关断时与横轴重合。体现开通时压降小,关断时漏电流很小的优点。饱和压降VCE（sat): IBTG饱和导通时的VCE ，一般为2-4v。开关三 IGBT电气特性动态特性主要是指IGBT开通以及关断过程中的特性,即所谓的开关特性。关断过程开通过程类似于VDMOS开通过程 开通过程与MOS管非常相似。 首先是内部MOS结构部分的开通,当对栅射极施加正向电压之后,输入电容开始充电,经过一段时间之后,栅极电压达到阈值电压,此时开始有电流在作为输入器件的MOS结构中流动,并构成了PNP晶体管的基极电流。 随后,PNP双极晶体管的集电极电流

13、在一个由载流子穿越基区的渡越时间所决定的延迟之后开始流动,器件开始导通。由此可以得到,IGBT从最初的施加栅极正电压到IGBT集电极电流上升所经历的开通时间为两次延迟之和:ton=td(on)+tr开通过程三 IGBT电气特性动态特性 三 IGBT电气特性动态特性从外部结构上看IGBT器件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 IC=IMOS+IBJT，从内部结构上说IGBT的通态电流Ic主要由电子电流Ie和空穴电流Ih组成IC=Ih+Ie其中空穴电流Ih来自于P+集电区的注入,流经MOS沟道的电子电流Ie受控于栅极电压,要想使Ie中断,必须将栅极通过外电路与发射

14、极连接,使栅电容放电。当VGE值低于阈值电压时,MOS沟道反型层就会自行消失。在沟道关闭之后,电子电流Ie减小为零,但随着J2结被反偏,存储于pnp晶体管基区中的过剩载流子被不断扩展的空间电荷区扫出,由于这个PNP晶体管基区没有直接连接电极,无法同正常的BJT一样通过反向基极电流抽取存储的过量电荷,这些过剩载流子只能通过集电极逐渐抽走,形成了IGBT的拖尾电流。关断过程IGBT关断过程的电流随时间变化大体分为两个阶段:toff=tf1+tf2第一个阶段MOS管导通电流的迅速降低阶段，即陡降阶段，下降时间为tf1，取决于IGBT内的PNP晶体管的电流放大系数。第二个阶段是三极管电流缓慢减小到零的

15、阶段，即与基区过剩载流子复合有关的缓慢下降阶段（指数下降阶段），下降时间为tf2，下降时间主要取决于N基区空穴流的复合速度,即N基区中少数空穴的寿命。 三 IGBT电气特性动态特性关断过程 三 IGBT电气特性动态特性 对IGBT的关断时间，最大的一个限制因素是N型外延层中少数载流子的寿命，即PNP管基区中少子寿命。因为PNP基区没有直接的引出电极，可以通过电子辐照等少子寿命控制技术加以控制，并通过在 P+N-之间加N+缓冲层等工艺方法减小tf2。 降低少子寿命虽然提高了器件的关断速度，却使IGBT N-基区的调制作用减弱，调制电阻增加，导致正向压降上升。所以 IGBT 的通态压降与关断时间之间存在一个折衷的关系。IGBT以Vce(sat)和toff为标志形成了几代 产品。 关断过程四 IGBT 小结BDAC定义：COMSFET与BJT复合的全控型电压驱动大功率开关器件；结构、原理：PNPN四层结构；用MOSFET控制BJT；背景：80年代发展至今，IGBT拥有输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低以及工作