IGBT设计关键因素分析

IGBT设计关键因素简析

因为最近工作中比较多的涉及到IGBT，所以今天我们来聊一聊IGBT的设计的相关要点，当然只是从我们比较关心的几点出发，概括性地来说一说。而没有深入到物理参杂等方面，希望可以对你们有所帮助。

IGBT基本结构和原理

每次讲到IGBT，都会先对它进行一个简单的介绍。IGBT是一个复合器件，由一个MOSFET和一个PNP三极管组成；当然，也可以看成一个VDMOS和一个PN二极管的组成。基本结构如下图：

等效电路如下：

1、IGBT的静态参数

常规IGBT只有正向阻断能力，由PNP晶体管的集电结承担，而其反向的电压承受能力只有几十伏，因为PNP晶体管的发射结处没有任何终端和表面造型。IGBT在通态情况下，除了有一个二极管的门槛电压（0.7V左右）以外，其输出特性与VDMOS的完全一样。下图是IGBT的正反向直流特性曲线：

IGBT的主要静态参数：

①阻断电压V(BR)CES—器件在正向阻断状态下的耐压

②通态压降VCE(on)—器件在导通状态下的电压降

③阈值电压VGE(th)—器件从阻断状态到导通状态所需施加的栅极电压VG

2、IGBT的开关特性

IGBT的开关机理与VDMOS完全一样，由MOS栅来控制其开通和关断。所不同的是IGBT比VDMOS在漏极多了一个PN结，在导通过程中有少子空穴的参与，这就是所谓的电导调制效应。这一效应使得IGBT在相同的耐压下的通态压降比VDMOS的低。由于在漂移区内空穴的存在，在IGBT关断时，这些空穴必须从漂移区内消失，与VDMOS的多子器件相比，IGBT双极器件的关断需要更长的时间。

各个厂家对于Eon和Eoff的起始标准可能有所差异，对比时，最好进行统一，当然最好能够进行实际的实验对比，这样较为科学和可靠。

IGBT的主要开关参数：

①开通时间 (td(on)+tr) —器件从阻断状态到开通状态所需要的时间

②关断时间 (td(off)+tf) —器件从开通状态到阻断状态所需要的时间

③开通能量(Eon)—器件在开通时的能量损耗

④关断能量(Eoff)—器件在关断时的能量损耗

设计中的关键参数

对于一个功率半导体器件而言，关键是器件的长期工作可靠性，而影响可靠性关键的因素就是器件的功率损耗。这一点对大功率高频器件尤为重要。当然，功耗越小，则器件的可靠性就越高。IGBT的功率损耗主要体现在其反向阻断状态、导通状态及开关状态，而影响上述三个状态损耗的主要参数如下。

1、阻断电压

IGBT处于阻断状态时，希望在承受额定阻断电压时，器件的漏电流越小越好。这样，器件在阻断状态下的功率损耗越小。

影响阻断电压的因素有下面几点：

①漂移区的电阻率的增加，耐压增加

②漂移区的厚度的增加，耐压增加

③栅极宽度的增加，耐压减少

④终端结构

2、通态压降

IGBT的通态压降VCE(on)由下面的电阻构成：

Ron= RCS+ RN++ RCH+ RA+ RJ+ RD+ RSUB+ RCD

VCE(on)=Ron* Ic

对高压IGBT而言，主要影响VCE(on)的电阻是RJ和RD，即JFET区域的电阻和N-漂移区内的电阻。 因此，如何尽量降低RJ和RD是大功率IGBT设计中应重点考虑的。我们提到的沟槽栅结构和场阻断结构就是为了减少RJ和RD。

通态压降VCE(on)的大小决定着器件耗散功率的大小，之前我们也有提到过：

Ptot=(Tj-Tc)/Rthjc=VCE(on)*Ic

Rthjc为结壳热阻

3、开关损耗

IGBT的开关损耗主要时由开关能量和开关的频率fsw决定的，即

Psw=Esw+fsw

Esw=Eon+Eoff

IGBT的Eon和Eoff主要取决于栅电阻RG，栅源间电容CGE和栅漏间电容CGC，及IGBT中PNP三极管的增益αPNP。降低RG、CGE和CGC可以同时降低Eon和Eoff，但是，要注意，发射效率γPNP对开通能量和关断能量的影响是相反的，即αPNP 大，开通时间短，但关断时间长。因此，在设计上要给于折中的考虑。在高频应用中，往往希望IGBT的关断时间要短，这样，在一般IGBT的设计中往往尽可能地减少αPNP。这也是为什么在PT-IGBT中要采用n型缓冲层和在NPT-IGBT中要尽可能降低P发射区浓度和厚度的原因。另外，降低αPNP，也有利于抑制IGBT的latch-up效应（擎住效应）。

4、电容

前面我们也给出过更加详细的寄生电容分布图，IGBT中应该注意下面三个主要的电容：

输入电容：Ciss=CGE+CGC

输出电容：Coss=CCE+CGC

反向传输电容(米勒电容)：Crss=CGC

在设计中，要尽量使米勒电容越小越好，米勒电容越小，器件的开通和关断过程就越短。另外，在半桥线路中，如果米勒电容越大，则越容易引起直通现象(米勒效应)。

Ciss 、Coss 和Crss 影响器件的开通和关断时间以及开通和关断延迟时间，进而影响器件的开关损耗。所以我们要充分考虑电容的协调性。

5、频率特性

影响IGBT的频率特性的主要因素如下：

①通态损耗和开关损耗越低，则器件的工作频率就越高

②散热特性越好，热阻越小，则频率就越高

③工作电流越大，则频率越低

④器件耐压越高，则频率越低

⑤栅极电阻越小，则频率越高

⑥器件输入电容越小，则频率越高

⑦环境温度越高，则频率越低

当然，频率的影响因素之中有些本身就是相互影响的，所以需要综合考虑主要的因素，寻求一个平衡。

结构设计

1、有源区结构

常用的IGBT的有源区的原胞几何结构主要分为：条形、方形和正六边形。对通态压降而言，正六边形最小（Ron最小），条形最大（Ron最大）；对抗闭锁能力而言，条形最强 （Rb最小），正六边形最弱（Rb最大）；而且，条形原胞可以获得较好的耐压和通态压降之间的协调关系。如下图所示：

有源区的设计主要要考虑两个值：栅源长度和(LG+LE)和栅源长度比(LG/LE)。

原胞的栅长度LG与栅源长度和(LG+LE)的比例越小，米勒电容Crss就越小；原胞的栅源长度比(LG/LE)越大，通态压降越小，耐压越低，短路电流越大。并且，多晶栅的长度LG越宽，JFET区域的压降越小，通态压降就越小。

2、栅极结构

栅极主要有两种：平面栅和沟槽栅，结构图如下：

平面栅

沟槽栅

沟槽栅的优点：通态压降减小，与平面栅相比，减小了约30%左右；电流密度大。

沟槽栅的缺点：沟槽工艺复杂；短路能力低；栅电容大，约为平面栅的3倍。

3、终端设计

常见的功率半导体器件的终端有一下四种：场限环结构，场板结构，JTE（结终端扩展）结构和VLD（横向变掺杂）结构。对高压IGBT器件，用的最多的，容易实现的终端结构是场限环结构，当然，也有的设计将上述方法结合起来。

终端设计中应注意的几个问题：

①PN结的曲率半径要尽可能大；曲率半径越大，承受电压的能力

就越强

②实际环的宽度，取决于该环承受的电压降及PN结P型区的浓

③实际环的间距，间距太小，则最后一个环承受的电压降较高； 反之，则第一个环承受的电压降较高

④环的表面电荷影响PN结表面的形状，进而影响该结承受电压降

的能力。

下图是场限环电场的分布：

4、纵向结构

漂移区电场分布主要两种：穿通型和非穿通型。

穿通型电场分布的结构可以较好的实现耐压与通态压降之间的协调，而非穿通型电场分布的结构，通态压降往往较大，但其短路能力较强。

IGBT主要三种纵向结构：PT穿通型、NPT型和FS场阻断结构。PT和FS属于穿通型；NPT属于非穿通型。

三种纵向结构如下图：

三种结构的特点如下：

PT穿通型结构的特点：

①p+衬底，n外延漂移区

②电场穿透漂移区，到达n+缓冲层

③负温度系数

④需要少子寿命控制技术

⑤材料成本较高

⑥不需要减薄工艺

NPT非穿通型结构的特点：

①无外延层

②薄p发射区

③电场未穿透漂移区

④正温度系数

⑤热阻低

⑥不需要少子寿命控制技术

⑦材料成本低

⑧需要减薄工艺，但减薄后厚度较厚

FS场阻断结构的特点：

①无外延层

②薄p发射区

③电场穿透漂移区，到达n+场阻断层

④正温度系数

⑤拖尾电流小

⑥通态压降小

⑦不需要少子寿命控制技术

⑧需要减薄工艺，但减薄后厚度较薄

IGBT是一个MOS控制的双极器件。电场控制型器件的触发电路简单，器件的开关损耗低；双极器件由于少子的电导调制效应，在高电压时，可以获得较低的通态压降。因此，IGBT适用于大电流、高压和高频的应用。设计时，需要综合考虑上文提到的因素，当然还有其他一些文中没提出的，比如可靠性的影响因素。

总之，在高频大功率IGBT的设计中，必须要在减少器件静态和开关功率损耗的基础上，综合考虑其静态、动态的各个参数，以及各个参数之间的协调性。