绝缘栅双极晶体管（IGBT）.ppt

1,3.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）,2,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT)1984年，巴利伽等人发表了绝缘栅晶体管的文章 GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,3.6.1 概述IGBT在高频大功率化背景下诞生,3,4,在很宽的工作电流范围内具有正电阻温度系数，便于多芯片并联 开关速度快（ns级） 反向恢复时间短，为采用新型特快动作的压敏保护器件来实现IGBT“直接串联”提供了技术上的可能 开关损耗远低于双极型器件，而通态损耗越来越接近双极型器件，于是总功率损耗降低 不存在晶闸管类器件在开通过程中必然存在的电流集中在初始导通区域然后再逐步向全面积扩展的“慢”过程，有更高的di/dt耐量，开通过程更加均匀 比GTO、晶闸管和某些IGCT等双极型器件有高得多的du/dt耐量,经过20多年发展，IGBT日臻完善，现代IGBT具有以下明显优点：,5,三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,3.6.2 IGBT的结构和工作原理,6,N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 将VDMOSFET的N+注入区换成P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。,IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,IGBT的结构,7,驱动原理与功率MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,IGBT的原理,8,1、IGBT的静态特性,输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,3.6.3 IGBT的基本特性,9,转移特性IC与UGE间的关系(阈值电压UGE(th),1、IGBT的静态特性,3.6.3 IGBT的基本特性,饱和电压特性通态电压温度系数在小电流范围内为负，大电流范围为正,10,IGBT的开关过程,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,2、IGBT的动态特性,3.6.3 IGBT的基本特性,11,IGBT的开关过程,关断延迟时间td(off） 电流下降时间tf 关断时间toff 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,IGBT的关断过程,2、IGBT的动态特性,3.6.3 IGBT的基本特性,12,2、IGBT的动态特性,IGBT关断过程中IC和UC的变化情况,关断过程中集电极的变化情况取决于负载的性质,13,IGBT的开关时间与漏极电流、门极电阻以及结温等参数有关，尤其门极电阻对开关时间的影响更大,2、IGBT的动态特性,14,2、IGBT的动态特性,开通损耗特性,关断损耗特性,100A600V IGBT,15,由IGBT的饱和电压特性、开通损耗特性和关断损耗特性可计算总功耗。 例如：Ic40A，脉冲占空系数DF50，f=20kHz，Tj125，则,2、IGBT的动态特性,16,擎住效应，也称晶闸管效应、闭锁效应，是指IGBT工作电流增大到某个值时，虽撤去栅偏压，器件依然导通；即器件被栅压触发导通后，栅压不再具有控制能力。 此时器件处于不稳定状态，对IGBT而言是一种故障现象。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。,3、IGBT的擎住效应,3.6.3 IGBT的基本特性,17,3、IGBT的擎住效应,3.6.3 IGBT的基本特性,(1) 产生擎住效应的原因,考虑了寄生n+pn晶体管的等效电路图,IGBT器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP和NPN两个晶体管组成。在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rb，在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对于J3结来说，相当于加一个正偏置电压。 在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流大到一定程度时，这个正偏置电压足以使NPN晶体管导通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。,18,出现擎住效应的条件 IGBT发生擎住的临界擎住电流为（静态擎住）,3、IGBT的擎住效应,(1) 产生擎住效应的原因,19,3、IGBT的擎住效应,3.6.3 IGBT的基本特性,(2) 典型的擎住特性曲线,AB段：MOSFET栅控下的PNP管工作区 BC段：MOSFET栅控下的PNP管、NPN管共同工作区。此时，Rb上的压降逐渐增大，但NPN管仍然处于未导通状态， C点：正向转折点，对应的电压称为正向转折电压VBF， 条件已满足，触发了PNPN寄生晶闸管的正反馈过程，使得IGBT发生擎住，阳极电流迅速增加 CD段：负阻区 DE段：PIN区,20,减小短路电阻Rb P+中心扩散方法 缩短N+源区的横向长度 采用自对准技术 背面定域P+扩散法与阳极短路法 加一薄的N+缓冲层 控制少数载流子寿命 选择合理的栅源结构,3、IGBT的擎住效应,3.6.3 IGBT的基本特性,(3) 防止擎住效应的措施,NEXT,21,带有发射极腐蚀坑的元胞结构,BACK,22,背面定域P+扩散结构,阳极短路结构,BACK,23,加N+缓冲层的IGBT结构,24,关于N+缓冲层,无N+缓冲层的IGBT中，正、反向阻断电压相等，故称对称型器件 有N+缓冲层的IGBT称非对称型器件 很多应用领域并不要求器件是对称型的（如电压型逆变器），所以非对称型器件很受重视,加入N+缓冲层的IGBT结构有如下特点： 抗擎住能力增强 正向阻断电压提高 正向导通电压减小 关断时间缩短 反向阻断电压减小,25,N+缓冲层提高正向阻断电压,对称IGBT电场呈三角形分布,非对称IGBT电场呈矩形分布,26,N+缓冲层减小正向导通电压,RN由漏区厚度决定，在非对称结构中，由于N+缓冲层加入，N-漏区的厚度仅为对称结构的一半,N+缓冲层缩短关断时间,N+缓冲层一般设计为,缓冲层降低了发射极注入效率，也就降低了电流增益，则MOS电流分量将成为总电流的主要部分，而这部分电流是因沟道被切断迅速实现关断的，这部分电流越大，拖尾电流便越小，因而下降时间也越短,BACK,27,4、安全工作区,3.6.3 IGBT的基本特性,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。,正向偏置安全工作区（FBSOA）,28,反向偏置安全工作区（RBSOA）,最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。,4、安全工作区,3.6.3 IGBT的基本特性,29,正常工作温度下允许的最大功耗 。,(3) 最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,(2) 最大集电极电流,由内部PNP晶体管的击穿电压确定。,(1) 最大集射极间电压UCES,5、 IGBT的主要参数,3.6.3 IGBT的基本特性,30,IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比VDMOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。,3.6.3 IGBT的基本特性,31,3.6.4 IGBT的栅极驱动和保护,1、 IGBT的栅极驱动,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。,双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。,驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前 的趋势是采用专用集成驱动电路。,32,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器,光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型,1、 IGBT的栅极驱动,33,1、 IGBT的栅极驱动,IGBT的栅极驱动条件密切关系它的静态和动态特性。,栅极驱动条件与器件特性的关系,34,1、 IGBT的栅极驱动,正偏电压VGE的影响,栅极驱动电路,通态电压与正偏压的关系,开通损耗与正偏压的关系,35,1、 IGBT的栅极驱动,负偏电压-VGE的影响,负偏压与浪涌电流关系,关断损耗与负偏压关系,试验电路,36,1、 IGBT的栅极驱动,栅极电阻RG的影响,Eon与Eoff与RG的关系,diC/dt与RG的关系,37,由于是容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷积聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。 用低内阻的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通后，栅极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。 栅极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为-2V-10V。 IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。 栅极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。 若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。,对IGBT驱动电路的要求和条件：,1、 IGBT的栅极驱动,38,将IGBT用于电力变换时，为了保证其安全运行，防止异常现象造成器件损坏，必须采取完备的保护措施，常用的有： 通过检出的过流信号切断栅极信号，实现过流保护 利用缓冲电路抑制过电压，并限制过高的dv/dt 利用温度传感器检测IGBT的外壳温度,当超过允许温度时主电路跳闸,实现过热保护,3.6.4 IGBT的栅极驱动和保护,2、 IGBT的保护,39,实际应用中引起短路故障的主要原因： 直通短路，产生原因是桥臂中某一个器件损坏或反并联二极管损坏 桥臂短路，产生原因是控制回路、驱动回路的故障，或干扰噪声引起的误动作，造成一个桥臂中的两个IGBT同时开通 输出短路或接地，产生原因是配线等人为的错误或负载的绝缘损坏,2、 IGBT的保护过流保护,40,直通短路,桥臂短路,输出短路,接地,41,2、 IGBT的保护过流保护,过流限制功能IGBT的等效电路,当Rs中电流超过一定值，MOS开通，G和E之间电压被钳制在一定值，过流受到限制,42,2、 IGBT的保护过压保护,IGBT感性负载关断时的波形示意图,IGBT关断时，由于主回路电流的急剧下降，主回路存在的等效电感将引起高电压，称为开关浪涌电压。这种开关浪涌电压如果超过IGBT的RBSOA区域，就会使IGBT损坏。,43,吸收过压的方式有： 在IGBT上加吸收回路以吸收浪涌电压 调整驱动电路的栅电阻或反偏电压以减小开关时的di/dt 将电源电容尽可能置于IGBT最近处，以降低配线电感 缩短连线，宜用Cu材等,2、 IGBT的保护过压保护,44,抑制浪涌电压的有效措施是采用缓冲电路，也称为吸收回路，它既可以限制关断电压上升率，又可以减少IGBT的关断损耗,2、 IGBT的保护过压保护,小容量IGBT （50A）,中容量IGBT （200A）,大容量IGBT （300A）,45,大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、日本三菱的M系列、日本东芝的TK系列、美国摩托罗拉的MPD系列等。这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。,3、 IGBT专用驱动模块,46,M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图,3、 IGBT专用驱动模块,47,EXB841电路原理图,3、 IGBT专用驱动模块,48,1984年巴利伽提出IGBT概念 20年来IGBT演变出五个基本代, 在逐代演变中成长、成熟,3.6.5 IGBT的发展历程,49,FOM表征IGBT的综合性能,IGBT的性能指数,50,51,第一代平面栅穿通（PT）型外延衬底IGBT,平面栅结构,外延层 缓冲层 型衬底,引入电导调制，控制MOS分量和双极分量的比例 采用PT结构，减薄外延层厚度 在70%额定电流处，电阻温度系数由负变正,52,第二代采用缓冲层，精密控制图形和少子寿命的 平面栅穿通（PT）型外延衬底IGBT,精密平面栅结构,外延层 缓冲层 型衬底,器件横向（平面）采用精密图形，减少每个元胞的尺寸 采用专门的扩铂与快速退火措施，控制基区内少数载流子 寿命合理分布 锁定效应得到有效抑制,53,沟槽栅结构,外延层 缓冲层 型衬底,采取沟槽栅结构代替平面栅 干法刻蚀 J-FET，减少串联电阻 侧壁氧化获得垂直沟道,第三代沟槽栅（Trench gate）型IGBT,54,PT-IGBT（续2）,PT-IGBT待发展解决的最主要问题: (1) 高压器件成本高 （ 昂贵的厚层高阻外延片: 1700V 170m; 3300V 330m） (2) 不适于并联使用 （VCE(sat) 负温度系数所致） 即 IC正温度系数： 某管IC偏大 T IC T IC集中于此管 烧毁,200,55,PT-IGBT（续3）,(3)功耗待进一步降低 （减小VCE(sat) 、Eoff） 总功耗通态损耗开关损耗 VCE(sat) Eoff Eon,对同一代技术 两者是相互矛盾的 互为消长的,56,平面栅结构,区熔硅片,扩散层,用区熔单晶硅片 代替高阻厚外延 全电流范围的工作区内都呈现正电阻温度系数 IGBT跨入了大功率应用,第四代非穿通（NPT）型IGBT,57,新技术含量: 透明集电极技术（TC） 公开：Siemens 1988 结构特点：不用载流子寿命控制技术；不用外延片,主要性能特点： 制造成本低 不用外延片 比PT型Eoff小（更适于高频） 透明集电区 VCE(sat)正温度系数 不用载流子寿命控制 VCE(sat)比PT型大(不利于低频) 耐压层厚 坚固不易损坏 正温度系数;非外延片,58,NPT-IGBT,VCE(sat)正温度系数 Eoff比PT型小（更适合高频） （适合并联） VCE(sat)比PT型大（低频不利）,温度特性,IC (A),59,沟槽栅结构,载流子存储层,区熔硅片,电场截止层,扩散层,引入电场截止层硅片厚度减薄1/3（又称弱穿通层） 保持正电阻温度系数便于多芯片并联，自均流效应 引入载流子存储层,第五代电场截止（FS）型,60,FS-IGBT（电场中止型IGBT）,新技术含量：TC+FS（电场中止技术） 公开：2000年，Infineon，Toshiba（薄片PT-IGBT） 结构与制造特点：NPT工艺+FS 性能特点：N-耐压层比NPT更薄，于是： VCE(sat)低于NPT-IGBT型N-区薄 Eoff比PT-IGBT 和NPT-IGBT都低 FS+TC VCE（sat) 正温度系数 TC,新技术含量：TC + FS + Trench 例如 Infineon IGBT3 (Trench 1985 GE 引入）,2001 结构与制造特点：NPT工艺 + FS + Trench 性能特点：vCE(sat) 比 FS-IGBT低Trench VCE(sat)和 Eoff 都比NPT低Trench+FS,Trench FS-IGBT（沟槽栅电场中止IGBT）,61,62,Construction,Non-Punch-Through (NPT) Implanted p injector Tightly controlled process Controlled minority carrier injection No epi (lower cost) Typically no lifetime control Electric field does not punch through drift region,Punch-Through (PT) p+ substrate and epi Heavy minority carrier injection Requires minority carrier lifetime control Thin drift region lowers VCE(on) Electric field “punches through” drift region to buffer layer,Field Stop Implanted p injector Tightly controlled process Controlled minority carrier injection No epi (lower cost) Thin drift region lowers VCE(on) May use lifetime control Field stop (buffer) layer terminates electric field,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,为了确保IGBT能够承受反向电压，富士电机采用了高掺杂的p+衬底上外延一n+层的NPT-IGBT结构。通过挖深槽，形成正斜角结终端。图示为腐蚀槽的断面结构。,逆阻型IGBT,77,IGBT: VCE(on) 和 Eoff 与温度的关系,VCE(on) 和 Eoff 均与温度有关 VCE(on)与温度关系的变化斜率是温度系数 少数载流子的寿命随着温度的增加而增加 PT 随着温度的增加少数载流子的寿命增加，因而使 Eoff 显著增加。 由于在工作电流下也产生大量的少数载流子，因而使 VCE(on) 略微降低。 NPT and Field Stop 由于注入适量的少数载流子, 而非大注入情况. 因此， 随着温度的增加Eoff 适量增加。 随着温度的增加，少数载流子的寿命的增加不足于抵消硅电阻的增加， 因而使 VCE(on) 增加。 在室温下一种类型的 IGBT 可能比另一种类型的性能好，但在较高温度则有可能不同。,78,3.6.6 IGBT的未来展望,1、高电压、低压降型的IEGT,IEGT：Injection Enhanced Gate Transitor,“注入增强栅”的IGBT，融合和IGBT和GTO器件的优点。在通态时相当于pin二极管，开关特性相当于IGBT。,79,利用促进电子注入效应，控制积蓄在i层的载流子数量，从p发射区注入的空穴在整个n基区被挤到两窄槽间的n沟道区，