常見IGBT模塊及原理

1、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效 應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻 抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電 流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電 壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引 傳動等領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)IGBT結(jié)構(gòu)圖左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)

2、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NPN晶體管提供基極 電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向

3、門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷IGBT的驅(qū)動方法和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MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N 一層 的空穴（少子），對N 一層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT在高電 壓時，也具有低的通態(tài)電壓。三菱制大功率IGBT模塊工作特性靜態(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，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

4、區(qū)2和擊穿特性3部分。 在截止狀態(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔，反向電壓由J1結(jié)承擔。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，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，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，

5、 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，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0.71V ;Udr擴展電阻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23V o IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。動態(tài)特性IGBT在開通過

6、程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，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間。 td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流 開通時間ton即為td (on) tri之和。漏源電壓的下降時間由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向電壓，柵 極電壓可由不同的驅(qū)動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參 數(shù)來進行：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。 因為IGBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于 IGB

7、T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 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?。因為MOSFET關(guān)斷后，PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān) 斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的 下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩 段組成，而漏極電流的關(guān)斷時間t(off)=td(off)+trv 十 t(f)式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTRIGBT在關(guān)斷時不需要負柵 壓來減少關(guān)

8、斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加IGBT 的開啟電壓約34V，和MOSFET相當IGBT導(dǎo)通時的飽和壓降比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，遠遠不能滿足電力電子 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達到10KV 以上，目前只能通過IGBT高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如 瑞士 ABB公司采用軟穿通原則研制出了 8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的 6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。 與此同時，各大半導(dǎo)體

9、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1 um以下制作工藝，研制開發(fā)取得一 些新進展IGBT原理方法IGBT是強電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進化。 由于實現(xiàn)一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很 高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn) 有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了 RDS（on）特性，但是在高電平時，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT技術(shù)高出很多。 較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個低VCE（sat）的能力，以

10、及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個標準雙 極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。IGBT導(dǎo)通IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了 P+基片和一個N+緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分）。如等效電 路圖所示（圖1），其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+ 和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N 溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。 如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空 穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽

11、極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損 耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同 的電流拓撲：一個電子流（MOSFET電流）；空穴電流（雙極）。IGBT關(guān)斷當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入 N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集 電極電流則 逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘 余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與 幾種因素 有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有 特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功

12、耗升高;交叉導(dǎo)通問題，特別 是在 使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC和VCE密 切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在 終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。IGBT阻斷與閂鎖當集電極被施加一個反向電壓時，J1就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會 向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力， 所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連 續(xù)地提高壓降。第二點清楚地說明了 NPT器件的壓降比等效(IC和速度相同)PT 器件的壓降高的原因。當柵極和發(fā)射極

13、短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結(jié)受反向 電壓控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管，如圖1所示。在特殊 條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增 加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通 現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器 件的狀態(tài)有 密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：當晶閘管全部導(dǎo)通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這 一特殊現(xiàn)象嚴重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的

14、有害現(xiàn) 象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。降 低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流 增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切;在結(jié)溫和增益提高的情 況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意 將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1： 5。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)為一個類晶閘管的結(jié)構(gòu)(P-N-P-N四層組成)，其特點是通過強堿濕法 刻蝕工藝形成了形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的D

15、MOS(雙擴散形成的金屬-氧化物 -半導(dǎo)體)工藝被采用到IGBT中來。2在那個時候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚 的NPT(非穿通)型設(shè)計。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 衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進步，以及采用對應(yīng)給定 阻斷電壓所設(shè)計的n+緩沖層而進展的3。幾年當中，這種在采用PT設(shè)計的外 延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)則從5微米先進到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，實現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷

16、時間之間折衷的 更重要的改進。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)會有比較高的載流子注 入系數(shù)，而由于 它要求對少數(shù)載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通(NPT) 技術(shù)則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入 系數(shù)卻比較低。進而言之，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”(

17、SPT)或“電場截止” (FS)型技術(shù)，這使得“成本 一性能”的綜合效果得到進一步改善。1996年，CSTBT(載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以 實現(xiàn)6，它采用了弱穿通(LPT)芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進的寬元胞間距的設(shè) 計。目前，包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向?qū)ㄐ汀?逆導(dǎo) 型)功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護電路，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IPEMoPIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為120018

18、00A/18003300V， IPM除用于變頻調(diào)速夕卜，600A/2000V的IPM已用于電力機車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。現(xiàn)在，大電流高電壓的IGBT已模塊化，它的驅(qū)動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)動電路.其性能更好，整機的可 靠性更高及體積更小。輸出特性與轉(zhuǎn)移特性IGBT與MOSF

19、ET的對比：MOSFET全稱功率場效應(yīng)晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵 極(G)。主要優(yōu)點：熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大。缺點：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。 它的三個極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和柵極(G)。特點：擊穿電壓可達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250kVA以上，工作頻率可達20kHz。模塊簡介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

20、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，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率 小和開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，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

21、IGBT與MOSFET 一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極一發(fā)射極間施加 十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，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IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗 亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定 電流應(yīng)大于負載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇， 選用時應(yīng)該降等使用。使用中的注意事項由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實現(xiàn) 電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達到2030V。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：在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當必須要觸摸模塊端子時， 要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后，再觸摸；在用導(dǎo)電材料連 接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊；盡量在底板良好接地 的情況下操作。在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動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，也會產(chǎn)生使氧化層 損壞的振蕩電壓。為