绝缘栅双极晶体管的优势使用技巧全在这里

此教程翻译自IXYS公司的Abdus Sattar所著英文应用笔记:Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Basics.同时加了一些本人的注解.主要内容是介绍IXYS公司的IGBT的基本特性与工作性能.但是这些基础知识是通用的,也可应用在其他公司的IGBT产品上.本人水平有限,此文仅供参考,如有错误敬请指出.

IGBT的基本原理

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)是一种少数载流子器件,具有输入阻抗高,电流承载能力强的特点.从电路设计者的角度来看,IGBT具有MOS器件的输入特性且有双极器件的电流输出能力,是一种电压控制型双极型器件.IGBT被发明的目的是为了综合功率MOSFET与BJT两种器件的优点.可以讲IGBT是功率MOSFET与BJT合二为一的化身.两者优点集中在一体从而能有优异的性能.

IGBT适合于功率电路中的很多种应用,尤其是PWM驱动,三相驱动这些需要高动态控制与低噪音的应用场景.其他应用UPS,开关电源等等需要高开关频率的场景也适合使用IGBT.IGBT的特点是能提供高的动态性能,转换效率,同时具有低的可听到的噪音.它也适用于谐振模式的转换/逆变电路.有专门为低传导损耗与低开关损耗优化的IGBT器件.

IGBT对于功率MOSFET与BJT的主要优点体现在如下几点:

1.具有非常低的导通压降与优秀的导通电流密度.所以可以使用更小尺寸的器件从而降低成本.

2.因为栅极结构使用MOS管的同类设计,所以驱动功率非常小,驱动电路也很简单.与可控硅/BJT这些电流控制型器件来比,在高压与高电流应用场景,IGBT非常易于控制.

3.与BJT相比具有更好的电流传导能力.在正向与反向隔离方面参数也更优秀.

除了优点,IGBT也有它的不足之处:

1.开关速度低于功率MOSFET,但是高于BJT.因为是少数载流子器件,集电极电流残余导致关断速度较慢.

2.因为内部的PNPN型可控硅结构,有一定概率会锁死.

IGBT的长处在于增强电压隔断的能力.比如说对于MOSFET,随着击穿电压的增加,导通电阻会增加非常快,原因在于为了提高击穿电压,漂移区的厚度与本身电阻必须增加.所以实践中,一般不会设计同时具有高电流承载能力与高击穿电压的MOSFET.而对于IGBT,因为在导通时有高度集中的注入少数载流子,漂移区的电阻大大减小.故此漂移区的正向压降仅仅与其厚度相关而与其本身的电阻相对独立.

基本结构

图1所示为使用DMOS工艺制作的典型的N通道的IGBT的简化原理图.此结构只是可能选用的多种结构之一.可以看出除了P+注入层,IGBT的硅交叉区与垂直功率MOSFET基本一样.在栅极区与N+源区的P阱,IGBT与MOSFET几乎没有区别.顶部的N+曾是S极或者发射极,底部的P+曾是D极或者集电极.如果在掺杂时使用相反的顺序,那么制作出来的就是P通道IGBT.IGBT因为NPNP的结构所以会有一个寄生的可控硅(thyristor).一般不希望此可控硅导通.

图1典型的N通道IGBT结构图

某些IGBT在制造的时候没有加上N+缓冲层,被称为非穿型(NPT)IGBT.相对的有这个缓冲层的被称之为穿型(PT)IGBT.如果掺杂与此层厚度设计恰当,此层能大大提升整个器件的性能.尽管在外形上IGBT类似于MOSFET,但在实际工作中IGBT更加类似于BJT.这是因为P+的漏层(注入层)能将少数载流子注入N-漂移区从而导致的导通调制特性.

图2IGBT的等效电路

从上述分析可以画出IGBT的等效电路图(图2).等效电路包含MOSFET,JFET,NPN与PNP三极管.PNP的集电极与NPN的基极相连.NPN的集电极通过JFET与PNP的基极相连.NPN与PNP代表了寄生的可控硅,这个可控硅会带来一个再生型的反馈回路.RB为NPN的BE结电阻,其作用是保证寄生可控硅不至于锁定从而保证IGBT不锁定.JFET代表的是任意相邻的两个IGBT之间的收缩电流.JFET在大多数电压范围存在,使得MOSFET保持在低压从而导致低的RDS(on)值.图3所示为IGBT的电路符号.三个极分别叫做集电极(C),栅极(G)与发射极(E).

图3 IGBT的电路符号

IXYS的产品同时包括NPT与PT型IGBT.两种类型的物理结构如图4所示.如前文所述,PT类型有一个额外的层.这个曾有两个主要功能:(i)避免因为因为高电压而导致的耗尽区扩展,从而避免了穿通型失效.(ii)因为P+集电区注入的空穴部分在此层重新组合而减小了关断时的残余电流,从而缩短了关断的下降时间.NPT型的IGBT,具有同样的正向与反向击穿电压,适合于交流应用.PT型的IGBT,反向击穿电压低于正向击穿电压,适合于直流电路(因为直流电路中器件无须再反向承担电压).

图4NPT与PT型的IGBT结构

表1:NPT与PT型的IGBT特性对比

工作模式

正向关断与导通模式

如图1所示,当集电极-发射极加上正向电压且栅极与发射极短路,IGBT进入正向关断模式.此时J1与J3结正向偏置,J2反向偏置.J2两端的耗尽区部分地扩散至P基极与N漂移区.

当将栅极与发射极之间的短路移除,并且对栅极加已足够的电压以使P基极区的硅反向,IGBT从正向关断模式转移至正向导通模式.此种模式下,N+发射极与N-漂移区之间形成一个导通通道.N+发射极的电子通过此通道流向N-漂移区.流向N-漂移区的电子使得N-漂移区的电位降低,而P+集电极/N-漂移区的结被正向偏置.从而高密度的少数载流子空穴从P+集电极注入到N-漂移区.当注入的载流子密度远远高于背景密度时,在N-漂移区建立起被称作空穴离子流条件的情形.此种空穴离子流将电子从发射极吸引至发射极以维持局部电荷中和.如此在N-漂移区建立起某种空穴与电子的分区集中.此种分区集中大大提高N-漂移区的导电性能.这种机制被称作N-漂移区的导通调制.

反向关断模式

当如图1所示在集电极与发射极之间加上负电压,J1反向偏置,其耗尽区扩散至N-漂移区.反向关断的击穿电压由P+集电极/N-漂移区/P基极所形成的开基极BJT决定.如果N-漂移区的掺杂不足,此器件将易于被击穿.要获得所需要的击穿电压,必须控制N-漂移区的电阻与厚度.

要获取反向击穿电压与正向压降的具体参数,以下是计算N-漂移区的宽度公式:

其中:

LP: 少数载流子杂散长度

Vm: 最大关断电压

εo: 自由区的介电常数

εs: 硅的介质常数

q: 电荷

ND: N漂移区的掺杂密度

注意: 大多数应用中IGBT的反向关断非常罕见,而是一般使用反并二极管(FRED)

输出特性

图5所示为一个NPT-IGBT的正向输出特性图.这是一个曲线群,每条代表不同的栅极-发射极电压情况.集电极电流(IC)在VGE固定时为VCE的一个函数.

图5NPT-IGBT的I-V输出曲线

需要注意的是0.7V的偏移电压.这是因为对于P+集电极的IGBT,会有一个额外的PN结.这个PN结使得IGBT的特性与MOSFET区分开来.

传输特性

传输特性指的是不同温度下,比如25度,125度,-40度时,ICE对于VGE变化的响应函数.如图6所示.给定温度下传输特性的梯度被称作该器件在该温度下的跨导(gfs).

图6 IGBT的传输特性

一般来说较低栅极电压下要获取高的电流能力,希望gfs的值比较大.通道与栅极的结构决定了gfs的值.gfs与RDS(on)均由通道的长度来控制,而通道的长度由P基与N+发射极的扩散深度的差值来决定.传输特性曲线上的切线决定了器件的阈值/门限电压(VGE(th)).

图7某IGBT的跨导特性

图7所示为某IGBT的跨导特性(IC-gfs).当集电极电流增加,gfs随之增加,但是随着集电极电流继续增加,gfs的增长曲线慢慢平缓.这是因为寄生MOSFET的饱和现象减缓了PNP三极管的基极的驱动电流的增加.

开关特性

IGBT的开关特性与MOSFET的开关特性非常相似.主要差别在于:由于N-漂移区会储存电荷会导致一个残余集电极电流.此残余电流增加了关断损耗也需要半桥电路中两个器件关断之间的死区时间相应增加.图8显示了开关特性的测试电路.图9显示了相应的开启与关断的电压电流波形.IXYS的IGBT产品在测试时使用15V到0V的栅极电压.为了降低开关损耗,建议在关断时给栅极加一个负电压(比如-15V).

图8开关特性测试电路

IGBT的开关速度受限于寄生PNP三极管的基极的N-漂移区的少数载流子的生命周期.此区对于外部来讲是不可操作的,故此没有外部手段来增加移除此电荷的速度以提高开关速度.此电荷移除的唯一途径是在IGBT内部重新中和.此外增加N+缓冲区以收集少数载流子电荷能够增加此电荷的中和速度.

图9 IGBT的开启关断电压电流波形

Eon表示导通能量,是IC*VCE在从10%的ICE到90%的VCE区间的积分.导通能量的大小取决于续流二极管的反向恢复特性,所以如果IGBT当中包含续流二极管时一定要特别注意.

Eoff表示关断能量,是IC*VCE在10%的VCE到90%的IC区间的积分.Eoff是IGBT的开关损耗的主要组成部分.

锁死/锁定(Latch-up)

在导通状态,IGBT内部电流走向如图10所示.从P+集电极注入N-漂移区的空穴形成两个电流路径.空穴中的一部分因为与MOSFET通道的电子中和而消失.其他部分的空穴受电子的负电荷所吸引至反向层的附近,从外延穿过P层,在体欧姆电阻区形成压降.如果这个电压足够大,将正向偏置N+P结,同时大量的电子从发射极注入而在寄生NPN三极管将被开启.如果这种现象发生寄生的NPN与PNP三极管将被同时导通,故此两个管子组成的可控硅将被锁定(Latchup),从而使整个IGBT发生锁定.一旦锁定发生,栅极电压将失去对集电极的电流的控制作用,此时唯一关闭IGBT的方法是强制电换向,就像真正的可控硅中的情形一样.

图10 IGBT导通状态的电流流向

如果此种锁定状态不能快速被终止,IGBT将因为过大的耗散功率而被烧毁.IGBT能通过的最大的不引起锁定的尖峰电流称之为(ICM).器件的数据手册中都会写明这个参数.超过此电流值,足够大的外围电压降就会激活可控硅从而导致锁定.

安全工作区(Safe Operating Area,SOA)

所谓的安全工作区是指的电流-电压两者围成的一个区间,此区间内器件能安全工作不至于被损坏.对于IGBT,此区间由最大的集电极-发射极电压VCE与集电极电流Ic定义,此区间内IGBT能安全运转不至被损坏.IGBT的安全工作区有如下类型:正向偏置安全工作区(FBSOA),反向偏置安全工作区(RBSOA)与短路安全工作区(SCSOA).

正向偏置安全工作区(FBSOA)

对于感性负载的应用来说,FBSOA是个重要的特性.由最大的集电极-发射极电压与饱和的集电极电流来决定.此种模式下,电子与空穴通过漂移区移动,并维持比较高的集电极电压.漂移区的电子与空穴的密度与当前电流密度的关系为:

其中Vsat,n与Vsat,p分别为电子与空穴的饱和漂移速度.漂移区的净正电荷为:

此电荷决定了漂移区的电场分布.在稳态的正向关断条件下,漂移区的电荷等于ND.正向安全工作区间中,净电荷要远远大于ND,这是因为空穴的密度远远大于电子流的密度.

正向安全工作区的击穿电压为:

反向偏置安全工作区(RBSOA)

对于关断的瞬态分析来讲,RBSOA为重要的状态.能关断的电流限于IGBT的额定电流的两倍.比如某额定电流为1200A的IGBT能关断的最大电流为2400A.最大电流为关断时集电极与发射极之间尖峰电压的函数.VCE的峰值等于直流电压与LбdIC/dt的乘积.Lб为功率电路的杂散电感.RBSOA下的最大电流IC与VCE的关系参见图11.

图11IGBT的反向安全工作区

此模式下,栅极的偏置为0或者负电压,如此一来漂移区的电流仅仅通过空穴来进行(N通道的IGBT).空穴增加了漂移区的电荷,因此P基/N漂移区节点的电场增加了.此条件下空电荷区的净电荷为:

其中Jc为集电极电流总和.RBSOA的雪崩电压为:

短路安全工作区(SCSOA)

对于工作在电机控制应用的器件,一个关键要求是能够在负载短路时安全关断.当电流超载,集电极的电流迅速上升直至器件能承受的极限.器件能在此条件下不至于损坏的条件就是能在控制电路检测到短路状态并关断器件之前将电流幅度限制在一个安全的级别.

IGBT的集电极电流IC为栅极-发射极电压VGE与温度T的函数.图6所示的传输特性表明了给定VGE时最大的IC值.对于15V的VGE,其值限定为80A,大约是额定值的1.5倍.考虑到短路电流经常是额定电流的6-7倍,这个值算是非常小了.

图12SCSOA测试电路

图12展示了一个SCSOA的测试电路.短路电感值决定了电路的工作模式.当此值为uH级别,电路工作模式类似于正常的感性负载开关.当IGBT开启,VCE降至饱和电压.IC以dIC/dt的速率增加,IGBT逐渐饱和.当集电极电流高于2倍的额定电流时不允许关断操作,因为这样做是超出RBSOA的.如果短路发生,必须等待设备达到活跃工作区.必须在10us内关闭IGBT以免器件因为过热而损坏.

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