IGBT基本原理課件

1、IGBT介紹01IGBT發(fā)展背景02IGBT結構、原理、電氣特性03CONTENTS目 錄第1頁/共23頁IGBT介紹01IGBT發(fā)展背景02IGBT結構、原理、電氣 IGBT三菱西門子IGBT： 是一種大功率的電力電子器件，是一個非通即斷的開關，IGBT沒有放大電壓的功能，導通時可以看做導線，斷開時當做開路。三大特點就是高壓、大電流、高速。它是電力電子領域非常理想的開關器件。第2頁/共23頁 IGBT三菱西門子IGBT：第2頁/共23頁1.IGBT定義 IGBT，絕緣柵雙極晶體管(Insolated Gat Bipolar Transistor,IGBT)，它是由BJT（雙極性三極管）和MO

2、SFET（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。電力半導體器分類不可控器件:不能用控制信號來控制其通斷,因此不需要驅動電路,此類器件只有整流作用,包括普通功 率二極管、快恢復二極管和、肖特基二極管。半控型器件:控制導通不能控制關斷。它包括普通晶閘管及其派生的特殊器件,如逆導晶閘管等。全控型器件:控制其導通、關斷,又稱為自關斷器件。例：雙極型功率晶體管、功率場效應晶體管、 絕緣柵雙極晶體管、門極可關斷晶閘管、靜電感應晶閘管等。電流驅動型:通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)對器件的導通或者關斷的控制。例如三極管BJT等。電壓型驅動:通過在控制端和公共端之間的電壓信號來實現(xiàn)對器

3、件導通或者關斷的控制。例如IGBT等。第3頁/共23頁1.IGBT定義 IGBT，絕緣柵雙極晶體管(Inso1.IGBT定義IGBT由BJT（雙極性三極管）和MOSFET（絕緣柵型場效應管）復合而成BJT（Bipolar Junction Transistor）:雙極性晶體管（晶體三極管），“雙極性”是指工作時有兩種帶有不同極性電荷的載流子參與導電。場效應管（FET）：利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件，它僅靠半導體中的多數(shù)載流子導電，又稱為單極型晶體管。絕緣柵型場效應管（IGFET）：柵極-源極，柵極-漏極之間采用SiO2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，所以又

4、稱為金屬氧化物半導體場效應管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）第4頁/共23頁1.IGBT定義IGBT由BJT（雙極性三極管）和MOSFE1.IGBT 簡化等效電路 由圖可知IGBT是以雙極型晶體管為主導元件,以MOSFET為驅動元件的達林頓結構。 忽略虛線部分，相當于由N溝道MOSFET驅動的PNP晶體管的達林頓管。 達林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認前面的三極管，應用于大功率開關電路。第5頁/共23頁1.IGBT 簡化等效電路 由圖可知IGBT是二 IGBT發(fā)展歷史背景歷史產(chǎn)品回顧50年代第一代可

5、控硅SCR功率容量大，但開關速度低，關斷不可控，因強制換流關斷使控制電路非常復雜70年代第二代70年代末第三代80年代第四代future第N代門極可關斷晶閘管 GTO 和巨型雙極晶體管GTR 。自關斷器件, 控制電路簡化。但它們共同存在驅動電流大、功耗損失功率場效應晶體管 VDMOS和靜電感應晶體管 SIT。開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單 ， 但是導通電阻大，不耐高壓IGBT ？第6頁/共23頁二 IGBT發(fā)展歷史背景歷史產(chǎn)品回顧50年代第一代可控硅SC歷史產(chǎn)品比較產(chǎn)品特點SCR功率容量大, 目前的水平已達到7000V / 8000A。但缺點是開關速度低, 關斷不可控、因強制

6、換流關斷使控制電路非常復雜, 限制了它的應用。GTO、GTR它們都是自關斷器件,開關速度比 SCR 高, 控制電路也得到了簡化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分別達到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的開關速度還是較低,GTR 存在二次擊穿和不易并聯(lián)問題。 另外, 它們共同存在驅動電流大、功耗損失大的問題。 VDMOS、SIT具開關速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單等特點。 但導通電阻限制了它們的電流容量和功率容量。不過, 人們利用超大規(guī)模 IC 技術把 VDMOS 的元胞尺寸做得很小 (只有幾個平方微米) , 大大增加了元胞的數(shù)量、減小

7、了導通電阻、提高了電流容量。但是, 功率容量還是很低。100V 以下,VDMOS 是最理想的開關器件。IGBT目前, IGBT器件已從第1代發(fā)展到了第4代，它的工作頻率可達到 200KH z。它的功率容量從小功率 (80-300A/500-1200V ) 的單管發(fā)展到超大功率 (1000-1200A/2500-4500 V) 的模塊, 形成了系列化產(chǎn)品,產(chǎn)品覆蓋面非常大。第7頁/共23頁歷史產(chǎn)品比較產(chǎn)品特點SCR功率容量大, 目前的水平已達到70非穿通型(NPT)結構擁有緩沖層的穿通型(PT)結構場終止型、軟穿通型結構平面柵結構垂直于芯片表面的溝槽型結構外延生長技術區(qū)熔硅單晶器件縱向結構柵極結

8、構硅片的加工工藝回顧IGBT的發(fā)展歷程,其主要從三方面發(fā)展演變 二 IGBT發(fā)展歷史第8頁/共23頁非穿通型(NPT)結構擁有緩沖層的穿通型(PT)結構場終國外縱觀全球市場，IGBT主要供應廠商基本是歐美及日本幾家公司,它們代表著目前IGBT技術的最高水平,包括德國英飛凌、瑞士ABB、美國IR、飛兆以及日本三菱、東芝、富士等公司。在高電壓等級領域(3300V以上)更是完全由其中幾家公司所控制,在大功率溝槽技術方面,英飛凌與三菱公司處于國際領先水平。這些公司不僅牢牢控制著市場,還在技術上擁有著大量的專利。國內(nèi)IGBT產(chǎn)業(yè)在最近幾年也得到了快速發(fā)展國內(nèi)外IGBT產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國內(nèi)第9頁/共23頁國外縱觀

9、全球市場，IGBT主要供應廠商基本是歐美及日本幾家公三 IGBT結構 IGBT是在VDMOSFET基礎之上演化發(fā)展而來的，結構十分相似,主要不同之處是IGBT用P+襯底取代了VDMOS的N+襯底,形成PNPN四層結構,正向導通時J1結正偏,發(fā)生一系列反應，產(chǎn)生PN結電導調(diào)制效應,從而有效降低了導通電阻和導通電壓，增大了IGBT的流通能力。電導調(diào)制效應是IGBT最主要的特征,也是IGBT區(qū)別于VDMOS的本質所在。第10頁/共23頁三 IGBT結構 IGBT是在VDMOSFET基礎之上三 IGBT工作原理 IGBT的開通和關斷是由柵-射極電壓UGE控制,當UGE正向且大于開啟電壓UGE（th）時

10、,MOSFET內(nèi)部形成溝道,并為PNP晶體管提供基極電流,使得IGBT導通。在柵極加零或負電壓時,MOSFET內(nèi)的溝道消失,PNP晶中的基極電流被切斷,IGBT被關斷。第11頁/共23頁三 IGBT工作原理 IGBT的開通和關斷是由柵-射極三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要包括:轉移特性、輸出特性 當 時,IGBT處于關斷狀態(tài)。 當 時,IC和UGE大部分是線性的,只在UGE很小時,才是非線性。開啟電壓UGE(th)隨溫度升高略有下降,溫度每升高1C,其值下降5mv左右,在25時,一般為2一6V;最高柵-射電壓受最大集電極電流的限制,一般選取在15V左右。轉移特性第12頁/共23頁三 I

11、GBT電氣特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要包括:轉移特性、三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性 它描述柵射電壓為參考變量時,集電極電流IC與集射電壓UCE之間的關系。URM是IGBT能夠承受的最高反向阻斷電壓 UFM是IGBT能夠承受的最高正向阻斷電壓,當UCE0時，IGBT為反向工作狀態(tài),IGBT只有很小的集電極漏電流流過; 由于IGBT的反向阻斷能力很低,一般只研究IGBT的的正向輸出特性 。IGBT的輸出特性分為正向阻斷區(qū)、有源和飽和區(qū)。其中飽和區(qū)是以單極性 MOS結構特性為主,門極電壓越高,飽和電流越大;有源區(qū)則以晶體管特性為主,電壓和電流都很大,損耗大,通常是一個瞬態(tài)過程,故 IGBT 在電力電子電

12、路中,主要是工作在開關狀態(tài),即工作在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)。輸出特性/伏安特性第13頁/共23頁三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性輸出特性/第13頁/共23頁三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性 當柵極電壓為零或負壓時,IGBT關斷并承受正向電壓,表現(xiàn)為IGBT正向阻斷特性。在電力電子電路中,IGBT經(jīng)常會直接承受較高的負載電壓,所以選擇IGBT首先就要考慮IGBT的電壓等級也就是IGBT正向阻斷電壓的能力。 目前市場上IGBT的電壓等級主要分為600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的電壓等級表示IGBT可以阻斷多少正向電壓,超過相應的電壓等級器件的漏電流會開始大量增加,短

13、時間內(nèi)器件也許不會損壞,但長時間會導致器件擊穿甚至燒毀。IGBT工作在開關狀態(tài),就是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回切換。靜態(tài)開關特性可以看成開通時基本與縱軸重合,關斷時與橫軸重合。體現(xiàn)開通時壓降小,關斷時漏電流很小的優(yōu)點。飽和壓降VCE（sat): IBTG飽和導通時的VCE ，一般為2-4v。開關第14頁/共23頁三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性IGBT工作在開關狀態(tài),就是三 IGBT電氣特性動態(tài)特性主要是指IGBT開通以及關斷過程中的特性,即所謂的開關特性。關斷過程開通過程類似于VDMOS開通過程第15頁/共23頁三 IGBT電氣特性動態(tài)特性主要是指IGBT開通以及關斷 開通過程與MOS管非常相

14、似。 首先是內(nèi)部MOS結構部分的開通,當對柵射極施加正向電壓之后,輸入電容開始充電,經(jīng)過一段時間之后,柵極電壓達到閾值電壓,此時開始有電流在作為輸入器件的MOS結構中流動,并構成了PNP晶體管的基極電流。 隨后,PNP雙極晶體管的集電極電流在一個由載流子穿越基區(qū)的渡越時間所決定的延遲之后開始流動,器件開始導通。由此可以得到,IGBT從最初的施加柵極正電壓到IGBT集電極電流上升所經(jīng)歷的開通時間為兩次延遲之和:ton=td(on)+tr開通過程三 IGBT電氣特性動態(tài)特性第16頁/共23頁 開通過程三 IGBT電氣特性動態(tài)特性第16頁/共23 三 IGBT電氣特性動態(tài)特性從外部結構上看IGBT器

15、件總電流既含有來自溝道的MOS分量， 又含有以PN結注入的雙極分量，即 IC=IMOS+IBJT，從內(nèi)部結構上說IGBT的通態(tài)電流Ic主要由電子電流Ie和空穴電流Ih組成IC=Ih+Ie其中空穴電流Ih來自于P+集電區(qū)的注入,流經(jīng)MOS溝道的電子電流Ie受控于柵極電壓,要想使Ie中斷,必須將柵極通過外電路與發(fā)射極連接,使柵電容放電。當VGE值低于閾值電壓時,MOS溝道反型層就會自行消失。在溝道關閉之后,電子電流Ie減小為零,但隨著J2結被反偏,存儲于pnp晶體管基區(qū)中的過剩載流子被不斷擴展的空間電荷區(qū)掃出,由于這個PNP晶體管基區(qū)沒有直接連接電極,無法同正常的BJT一樣通過反向基極電流抽取存儲

16、的過量電荷,這些過剩載流子只能通過集電極逐漸抽走,形成了IGBT的拖尾電流。關斷過程第17頁/共23頁從外部結構上看IGBT器件總電流既含有來自溝道的MOS分量，IGBT關斷過程的電流隨時間變化大體分為兩個階段:toff=tf1+tf2第一個階段MOS管導通電流的迅速降低階段，即陡降階段，下降時間為tf1，取決于IGBT內(nèi)的PNP晶體管的電流放大系數(shù)。第二個階段是三極管電流緩慢減小到零的階段，即與基區(qū)過剩載流子復合有關的緩慢下降階段（指數(shù)下降階段），下降時間為tf2，下降時間主要取決于N基區(qū)空穴流的復合速度,即N基區(qū)中少數(shù)空穴的壽命。 三 IGBT電氣特性動態(tài)特性關斷過程第18頁/共23頁IG

17、BT關斷過程的電流隨時間變化大體分為兩個階段: 三 IG 三 IGBT電氣特性動態(tài)特性 對IGBT的關斷時間，最大的一個限制因素是N型外延層中少數(shù)載流子的壽命，即PNP管基區(qū)中少子壽命。因為PNP基區(qū)沒有直接的引出電極，可以通過電子輻照等少子壽命控制技術加以控制，并通過在 P+N-之間加N+緩沖層等工藝方法減小tf2。 降低少子壽命雖然提高了器件的關斷速度，卻使IGBT N-基區(qū)的調(diào)制作用減弱，調(diào)制電阻增加，導致正向壓降上升。所以 IGBT 的通態(tài)壓降與關斷時間之間存在一個折衷的關系。IGBT以Vce(sat)和toff為標志形成了幾代 產(chǎn)品。 關斷過程第19頁/共23頁 三 IGBT電氣特性動態(tài)特性 對IGBT的關斷時四 IGBT 小結BDAC定義：COMSFET與BJT復合的全控型電壓驅動大功率開關器件；結構、原理：PNPN四層結構；用MOSFET控制BJT；背景：80年代發(fā)展至今，IGBT擁有輸入阻抗大、驅動功率小、開關損耗低以及工作頻率高等優(yōu)點電氣特性：靜態(tài)特性與開關特性 第20頁/共23頁四 IGBT 小結BDAC定義：結構、原理：背景：電氣特性：IGBT驅動電路Lorem ipsum dolor sdrweamet cons e