IGBT技術(shù)資料_IGBT的特性和應(yīng)用方法

　　摘要：本文介紹IR(International Rectifier)公司絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的特性和應(yīng)用。首先介紹了哭件的特性，并且與MOSFET 和雙極型晶體管的特性作了對比，然后介紹了IGBT的主要參數(shù)以及應(yīng)用中應(yīng)考慮的幾個(gè)重要問題，如：柵極驅(qū)動(dòng)要求，功耗計(jì)算和散熱器設(shè)計(jì)等。

　　關(guān)鍵詞： 絕緣柵雙極型晶體管，跨導(dǎo)，鎖定，電導(dǎo)率調(diào)制

　　1.引言

　　由于功率MOSFET具有開關(guān)速度快，峰值電流大，容易驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬，dV/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，在小功率電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于導(dǎo)通特性受和額定電壓的影響很大，而且工作電壓較高時(shí)，MOSFET固有的反向二極管導(dǎo)致通態(tài)電阻增加，因此在大功率電子設(shè)備中的應(yīng)用受至限制。

　　IGBT是少子器件，它不但具有非常好的導(dǎo)通特性，而且也具有功率MOSFET的許多特性，如容易驅(qū)動(dòng)，安全工作區(qū)寬，峰值電流大，堅(jiān)固耐用等，一般來講，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSET，但是IR公司新系列IGBT的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)通特性也不受工作電壓的影響。

　　由于IGBT內(nèi)部不存在反向二極管，用戶可以靈活選用外接恢復(fù)二極管，這個(gè)特性是優(yōu)點(diǎn)還是缺點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)工作頻率，二極管的價(jià)格和電流容量等參數(shù)來衡量。

　　IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，電路符號及等效電路如圖1所示。

　　可以看出，除了P襯底外，IGBT的剖面與功率MOSFET相同。

　　盡管IGBT與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)有許多相同之處，但是IGBT的工作過程非常接近極型晶體管。這是由于襯底P注入的少子使N區(qū)載流子濃度得到顯著提高，產(chǎn)生電導(dǎo)通調(diào)制效應(yīng)，從而降低了N區(qū)的導(dǎo)通壓降。而功率MOSFET的結(jié)構(gòu)不利于電導(dǎo)調(diào)制，因此，在N區(qū)中產(chǎn)生很大在導(dǎo)通壓降，對500V的MOSFET來說，該導(dǎo)通壓降大約為70%。

　　如等效電路所示，IGBT可等效為N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)PNP管的達(dá)頓結(jié)構(gòu)。結(jié)型場效應(yīng)管JFET承受大部分電壓，并且讓MOSFET承受較低的電壓，因此，IGBT具有較低的導(dǎo)通電阻RDS(ON).

　　2.IGBT的特性

　　2.1 導(dǎo)通特性

　　從等效電路圖可以看出，IGBT兩端的電壓降是兩個(gè)元件的壓降之和：P-N結(jié)的結(jié)壓降和驅(qū)動(dòng)用MOSFET兩端的壓降。因此，與功率MOSFET不同，IGBT的通態(tài)壓降不可能低于二極管導(dǎo)通壓降。另一方面驅(qū)動(dòng)用MOSFET具有低壓MOSFET的典型特性，它的電壓降與門極驅(qū)動(dòng)電壓有密切關(guān)系。當(dāng)電流接擦額定值時(shí)，門極電壓增加時(shí)，集電極-發(fā)射極將下降。這是因?yàn)椋涸?/p>

　　器件工作范圍內(nèi)，PNP管的增益隨電流增加而增加而柵極電壓增加引起溝道電流增加，因此，PNP管兩端的電壓減小。這一點(diǎn)與高壓功率MOSFET差別很大.

　　作為偽達(dá)頓接法的后極，PNP管絕不能深飽和，因此它的電壓降高于深飽和PNP管，然而，應(yīng)當(dāng)說明，由于IGBT的發(fā)射極覆蓋了芯片的全部面積。因此，IGBT的注入效率和導(dǎo)通壓降都比同面積的雙極晶體管好得多。

　　對器件設(shè)計(jì)者來說，有兩種減小導(dǎo)通壓降的方法可供選擇。

　　(1) 減小MOSFET的通態(tài)電阻。可通過增加芯片面積和組裝密度來實(shí)現(xiàn)。

　　(2) 增加PNP管的增益。這個(gè)方法也受鎖定因素的限制。

　　電導(dǎo)調(diào)制對導(dǎo)通壓降的巨大影響如圖2所示，圖中比較了芯片面積相同的IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降。由圖可見，功率MOSFET(IRF840)的導(dǎo)通壓降受溫度的影響很大。IGBT(IRGBC40U和IRGBC40S)的導(dǎo)壓降很低而且受溫度的影響也較小。當(dāng)器件的電流不同時(shí)，溫度對導(dǎo)通壓降的影響也不相同。這是因?yàn)殡娏鬏^大鋰，二極管壓降的溫度系數(shù)由原來的負(fù)值變?yōu)檎?。另一方面，MOSFET的壓降的溫度系數(shù)值為正值。在不同電流和溫度時(shí)，兩個(gè)元件的壓降不同，使IGBT與MOSFET壓降的差別更大。

　　此外，電導(dǎo)調(diào)制還可以基本上消除器件的額定電壓對導(dǎo)通壓降的影響。表1列出了電流相同的四種額定電壓的IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通電壓值。

　　表1 導(dǎo)通壓降與額定電壓的關(guān)系

　　額定電壓(V) IGBT 100 300 600 1200

　　MOSFET 100 250 500 1000

　　導(dǎo)通壓降(V) IGBT 1.5 1.5 2.4 3.1

　　MOSFET 2.0 11.2 26.7 100

　　2.2 開關(guān)特性

　　IGBT關(guān)斷速度的最大限制是N外延層(即PNP管的基區(qū))中的少子壽命。因?yàn)檫@個(gè)基區(qū)不易受外電路影響，所以不能用外部驅(qū)動(dòng)電路來縮短IGBT的開關(guān)時(shí)間。但是，因?yàn)镻NP管采用偽達(dá)林頓接法，它沒有存貯時(shí)間并且它的關(guān)斷時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深飽和狀態(tài)的PNP管。雖然如此，在許多高頻設(shè)備中IGBT仍然不適用。

　　基區(qū)內(nèi)的存貯電荷，引起IGBT關(guān)斷時(shí)電流波形出現(xiàn)延遲脈沖如圖3所示。IGBT的電流不能迅速降低到空穴復(fù)合電流。這樣不僅增加了關(guān)斷損耗，而且在半橋式電路中，為了避免兩只IGBT同時(shí)導(dǎo)通，必須增加兩只IGBT導(dǎo)通時(shí)間之間的死區(qū)時(shí)間。

　　傳統(tǒng)的減少少子壽命的工藝和加入收集少子的N+緩沖層，通常可縮短復(fù)合時(shí)間。但是這樣由于PNP管的增益降低，因此IGBT電壓降增加。減少少子壽命的工藝將造成IGBT出現(xiàn)準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，如圖4所示，這樣導(dǎo)通損耗將大于關(guān)斷損耗。

　　因此，PNP管的增益一方面受電導(dǎo)和導(dǎo)通損耗的限制，另一方面，也受鎖定狀態(tài)的限制。象所有的少子器件那樣，IGBT的開關(guān)性能將隨溫度升高而降低。

　　2.3 鎖定

　　如圖1所示，IGBT是P-N-P四層材料構(gòu)成的，當(dāng)性要條件(αNPN+αPNP>1)滿足時(shí)，IGBT就象普通晶閘管那樣導(dǎo)通，在簋低的電壓下，即使不加?xùn)艍?，器件也能通過很大的電流，這種現(xiàn)象稱為鎖定。

　　N+緩沖層和很寬的外延基區(qū)減小了PNP管的增益，而MOSFET的寄生雙極型NPN管的增益可以用大大減小rb'不能減小到一定值，那么當(dāng)較大的空穴流注入rb'后，在關(guān)斷時(shí)將會發(fā)生“動(dòng)態(tài)鎖定”，從而使寄生NPN管的增益達(dá)到很高的數(shù)值。

　　2.4 安全工作區(qū)

　　安全工作區(qū)(SOA)說明晶體管同時(shí)承受最高電壓和電流的能力。IGBT安全工作區(qū)的三個(gè)主要狀態(tài)如下：

　　(1)短路工作。IGBT的電流受柵極電壓和跨導(dǎo)限制，并且電流值可能超過額定電流的10倍。由于N+源區(qū)下方P阱區(qū)的橫向電阻rb'使寄生的雙極型NPN管導(dǎo)通，造成IGBT鎖定。減小rb’或者減小器件的總跨導(dǎo)(特別是PNP管的增益)，可以避免出現(xiàn)上述情況，但是減小器件的總跨導(dǎo)將增加導(dǎo)通損耗并且降低開關(guān)速度。

　　(2)電感負(fù)載關(guān)斷。在電感負(fù)載關(guān)斷狀態(tài)，電壓以幾伏到電源電壓之間波動(dòng)，電流從恒定電流到零之間變化。為了避免發(fā)生“動(dòng)態(tài)鎖定”狀態(tài)。某些制造廠提出利用柵極驅(qū)動(dòng)電阻來降低關(guān)斷dv/dt并且維持一定的電子電流。IR公司的IGBT在最高開關(guān)速度下工作時(shí)，不會發(fā)生任何問題，限制開關(guān)速度的原因是器件的外部電路，而不是器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　(3)作為線性放大器工作。該器件更適合作線性放大器用。IR公司的IGBT在任意工作狀態(tài)下都不會發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象。

　　2.5 跨導(dǎo)

　　半導(dǎo)體器件承受電流的能力受熱約束或者增益/跨導(dǎo)的限制，如圖5所示，當(dāng)電流超過熱能力后，IGBT(IRGPC50U)的跨導(dǎo)達(dá)到最大值，而在芯片面積相同的雙極型晶體管中，當(dāng)電流在工作范圍以內(nèi)時(shí)，雙極型晶體管(BUX98)的增益將大大降低。IGBT也象功率MOSFET那樣是無“增益限制”的。

　　當(dāng)電流非常大時(shí)，IGBT的跨導(dǎo)減小，并且在短路狀態(tài)下，隨著溫度升高，跨導(dǎo)進(jìn)一步減小，這樣，可保護(hù)IGBT。當(dāng)柵極電壓為15V時(shí)，在短路狀態(tài)下，IR公司標(biāo)準(zhǔn)IGBT的電流密度可達(dá)10-20A/mm2。如此高的跨導(dǎo)，使IGBT具有非常好的開關(guān)特性和導(dǎo)通特性。

　　3. IGBT的額定參數(shù)

　　3.1 在25℃和100℃時(shí)的連續(xù)集電極電流IC:該參數(shù)表示從規(guī)定的殼溫到額定結(jié)溫時(shí)的直流電流，該電流可由下式計(jì)算：

　　IC=ΔT/θ-c.IC.VCE(ON)

　　式中，ΔT是眾規(guī)定殼溫到最高結(jié)溫為150℃時(shí)，給定器件的連續(xù)集電極電流與殼溫的關(guān)系。

　　2、脈沖集電極電流(ICM)：在 溫度極限內(nèi)IGBT的峰值電流可以超過額定的連續(xù)直流電流。

　　3、集電極—發(fā)射極電壓(VCE)：為了避免PN結(jié)擊穿，IGBT兩端的電壓決不能超過這個(gè)額定電值。

　　4、最高柵極—發(fā)射極電壓(VGE)：柵極電壓受柵極氧化層的厚度和特性限制。雖然柵極的絕緣擊穿電壓約為80V,但是，為了保證可靠工作并且限制故障狀態(tài)下的電流，柵極電壓通常應(yīng)限制在20V以內(nèi)。

　　5、箝位電感負(fù)載電流(ILM)：在電感負(fù)載電路中，這個(gè)額定值能夠確保電流為規(guī)定值時(shí)，IGBT能夠重復(fù)關(guān)斷。這個(gè)額定值也能夠保證IGBT同時(shí)承受高電壓和大電流。

　　6、25℃和100℃時(shí)的最大功率(PD)：它由下式計(jì)算：PD=ΔT/θJ-C

　　7、結(jié)溫(TJ)：器件能夠在-55℃到100℃的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)正常工作。

　　4 應(yīng)用中應(yīng)注意幾個(gè)問題

　　4.1柵極驅(qū)動(dòng)要求

　　功率MOSFET對驅(qū)動(dòng)電路的要求也適用于IGBT。

　　柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，除了引起電流下降時(shí)間延遲外，柵極電阻還影響開關(guān)損耗。如圖6所示，柵極電阻減小時(shí)，總損耗將減小。導(dǎo)通損耗主要由MOSFET的特性決定，關(guān)斷損耗

　　主要由少子決定，導(dǎo)通損耗比送斷損耗受柵極電阻的影響更大。

　　為了減小dv/dt的影響，柵極通常應(yīng)加入一個(gè)負(fù)偏壓。但是，這樣要求增加與高壓側(cè)開關(guān)器件隔離的電源。

　　柵極有助于控制IGBT承受短路電流的能力，降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，能夠減小短路時(shí)的集電極電流和功耗。一種很簡單的電路，就能完成這種功能，并且響應(yīng)時(shí)間小于1μs。柵極驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。在某些應(yīng)用中，柵極需要串入二極管—電阻網(wǎng)路。

　　4.2 功耗計(jì)算

　　在任意給定的時(shí)間側(cè)，器件損耗的能量由下式計(jì)算：

　　能量與頻率相乘可得到功率。

　　晶體管截止時(shí)，1(t)≈0,損耗功率可忽略。為了便于分析，我們將損耗分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。另外，開關(guān)損耗也可分為兩類：具有理想二極管時(shí)IGBT的開關(guān)損耗和考慮二極管反射恢復(fù)時(shí)間時(shí)IGBT的開關(guān)損耗。

　　4.2.1 導(dǎo)通損耗

　　IGBT導(dǎo)通時(shí)，如果電流為方波脈沖，那么導(dǎo)通能量就等于電流×電壓降×導(dǎo)通時(shí)間。在任意電流和溫度時(shí)的最高電壓降，根據(jù)數(shù)據(jù)表提供的數(shù)據(jù)，可按以下兩步得到：

　　首先，從圖8所示IRGBC20集電極—發(fā)射極飽和電壓與殼溫的關(guān)系曲線上，找出能滿足所需電流的集電極—發(fā)射極飽和電壓。然后，為了得到最大壓降，在給定結(jié)溫下，從該曲線上得出的電壓降，必須乘以電氣特性表中給出的最大值與典型值之比。

　　如果柵極驅(qū)動(dòng)電壓不是15V,最大壓降值還需要八一些修正。修正系數(shù)可參考IR公司的IGBT設(shè)計(jì)手冊。

　　如果電流不是方波脈沖，導(dǎo)通損耗只能勝積分計(jì)算。這樣，必須建立電流波形和電壓降的數(shù)學(xué)表達(dá)式，這些函數(shù)關(guān)系可參考IR公司的IGBT設(shè)計(jì)手冊。

　　4.2.2 帶有理想二極管時(shí)IGBT的開關(guān)損耗

　　在任意給定電流和溫度的情況下，總開關(guān)損耗可按以下三步計(jì)算。首先，根據(jù)所需的電流和殼溫從圖9所示的曲線總開關(guān)損耗的典型值，在給定殼溫的條件下，也可從圖10所示的曲線找出總開關(guān)損耗的典型值。

　　該典型值乘以開關(guān)特性表中給出的最大值與典型值之比，即可得到最大開關(guān)損耗。

　　最后，由于開關(guān)損耗正比于電壓，所以實(shí)際上給出的開關(guān)損耗是實(shí)際電路電壓與測試電壓(通常為器件額定電壓的80%)之比。

　　4.2.3 考慮二極管反射恢復(fù)時(shí)間影響時(shí)IGBT的總開關(guān)損耗

　　在電流連接的電感負(fù)載電路中，開關(guān)導(dǎo)通引起續(xù)流二極管反射恢復(fù)，同時(shí)開關(guān)器件中產(chǎn)生很大的電流尖峰，從而IGBT和續(xù)流二極管的開關(guān)損耗增加。在這里我們只研究IGBT的開關(guān)損耗?？紤]到二極管反射恢復(fù)引起的開關(guān)損耗，IGBT總的開關(guān)損耗可由下式給出：

　　ED=V1/2{(1+(Irr/I))ta-[1-(Irr/I)(tb/2)])

　　式中，V1和I分別為電源電壓和負(fù)載電流，Irr為峰值反向恢復(fù)電流，ta和tb為反向時(shí)間trr的兩個(gè)分量。

　　4.3 散熱器設(shè)計(jì)

　　應(yīng)當(dāng)記住，IFGBTB也象功率MOSFET和晶閘管那樣，工作溫度都有一定限制，因此良好的散熱設(shè)計(jì)是IGBT有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　保證結(jié)溫低于設(shè)計(jì)極限的散熱器最大熱阻可由下式計(jì)算：

　　Rths-A=[(ΔTj-a)/Pd]-Rthj-C-Rthc-sΔ

　　為了選出最佳的散熱器，上式中各參數(shù)需要相互配合。

　　為了使管殼—散熱器的熱阻接近參數(shù)表給出的數(shù)值，安裝圖矩應(yīng)當(dāng)接受規(guī)定值，安裝力矩過大，往往值損壞管芯，安裝力矩過小，散熱性能較差。