IGBT基本原理課件

1、IGBT介紹01IGBT發(fā)展背景02IGBT結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、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(gè)非通即斷的開關(guān)，IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。三大特點(diǎn)就是高壓、大電流、高速。它是電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)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(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器分類不可控器件:不能用控制信號(hào)來控制其通斷,因此不需要驅(qū)動(dòng)電路,此類器件只有整流作用,包括普通功 率二極管、快恢復(fù)二極管和、肖特基二極管。半控型器件:控制導(dǎo)通不能控制關(guān)斷。它包括普通晶閘管及其派生的特殊器件,如逆導(dǎo)晶閘管等。全控型器件:控制其導(dǎo)通、關(guān)斷,又稱為自關(guān)斷器件。例：雙極型功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管、 絕緣柵雙極晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、靜電感應(yīng)晶閘管等。電流驅(qū)動(dòng)型:通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)對器件的導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。例如三極管BJT等。電壓型驅(qū)動(dòng):通過在控制端和公共端之間的電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對器

3、件導(dǎo)通或者關(guān)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(yīng)管）復(fù)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(shí)有兩種帶有不同極性電荷的載流子參與導(dǎo)電。場效應(yīng)管（FET）：利用輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱為單極型晶體管。絕緣柵型場效應(yīng)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(dǎo)體場效應(yīng)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(dǎo)元件,以MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。 忽略虛線部分，相當(dāng)于由N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的PNP晶體管的達(dá)林頓管。 達(dá)林頓管就是兩個(gè)三極管接在一起，極性只認(rèn)前面的三極管，應(yīng)用于大功率開關(guān)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(guān)速度低，關(guān)斷不可控，因強(qiáng)制換流關(guān)斷使控制電路非常復(fù)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(guān)斷晶閘管 GTO 和巨型雙極晶體管GTR 。自關(guān)斷器件, 控制電路簡化。但它們共同存在驅(qū)動(dòng)電流大、功耗損失功率場效應(yīng)晶體管 VDMOS和靜電感應(yīng)晶體管 SIT。開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單 ， 但是導(dǎo)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(diǎn)SCR功率容量大, 目前的水平已達(dá)到7000V / 8000A。但缺點(diǎn)是開關(guān)速度低, 關(guān)斷不可控、因強(qiáng)制

6、換流關(guān)斷使控制電路非常復(fù)雜, 限制了它的應(yīng)用。GTO、GTR它們都是自關(guān)斷器件,開關(guān)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(dá)到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的開關(guān)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(qū)動(dòng)電流大、功耗損失大的問題。 VDMOS、SIT具開關(guān)速度高、輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)。 但導(dǎo)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(shù)把 VDMOS 的元胞尺寸做得很小 (只有幾個(gè)平方微米) , 大大增加了元胞的數(shù)量、減小

7、了導(dǎo)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(guān)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(dá)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(diǎn)SCR功率容量大, 目前的水平已達(dá)到70非穿通型(NPT)結(jié)構(gòu)擁有緩沖層的穿通型(PT)結(jié)構(gòu)場終止型、軟穿通型結(jié)構(gòu)平面柵結(jié)構(gòu)垂直于芯片表面的溝槽型結(jié)構(gòu)外延生長技術(shù)區(qū)熔硅單晶器件縱向結(jié)構(gòu)柵極結(jié)

8、構(gòu)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(jié)構(gòu)擁有緩沖層的穿通型(PT)結(jié)構(gòu)場終國外縱觀全球市場，IGBT主要供應(yīng)廠商基本是歐美及日本幾家公司,它們代表著目前IGBT技術(shù)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(jí)領(lǐng)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(shù)方面,英飛凌與三菱公司處于國際領(lǐng)先水平。這些公司不僅牢牢控制著市場,還在技術(shù)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(yīng)廠商基本是歐美及日本幾家公三 IGBT結(jié)構(gòu) IGBT是在VDMOSFET基礎(chǔ)之上演化發(fā)展而來的，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),正向?qū)〞r(shí)J1結(jié)正偏,發(fā)生一系列反應(yīng)，產(chǎn)生PN結(jié)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),從而有效降低了導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓，增大了IGBT的流通能力。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是IGBT最主要的特征,也是IGBT區(qū)別于VDMOS的本質(zhì)所在。第10頁/共23頁三 IGBT結(jié)構(gòu) IGBT是在VDMOSFET基礎(chǔ)之上三 IGBT工作原理 IGBT的開通和關(guān)斷是由柵-射極電壓UGE控制,當(dāng)UGE正向且大于開啟電壓UGE（th）時(shí)

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(dǎo)通。在柵極加零或負(fù)電壓時(shí),MOSFET內(nèi)的溝道消失,PNP晶中的基極電流被切斷,IGBT被關(guān)斷。第11頁/共23頁三 IGBT工作原理 IGBT的開通和關(guān)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(zhuǎn)移特性、輸出特性 當(dāng) 時(shí),IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。 當(dāng) 時(shí),IC和UGE大部分是線性的,只在UGE很小時(shí),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(shí),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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí),集電極電流IC與集射電壓UCE之間的關(guān)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(dāng)UCE0時(shí)，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(jié)構(gòu)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(gè)瞬態(tài)過程,故 IGBT 在電力電子電

12、路中,主要是工作在開關(guān)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(dāng)柵極電壓為零或負(fù)壓時(shí),IGBT關(guān)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(huì)直接承受較高的負(fù)載電壓,所以選擇IGBT首先就要考慮IGBT的電壓等級(jí)也就是IGBT正向阻斷電壓的能力。 目前市場上IGBT的電壓等級(jí)主要分為600V、1200V、1700V、3300V、4500V、6500V等,不同的電壓等級(jí)表示IGBT可以阻斷多少正向電壓,超過相應(yīng)的電壓等級(jí)器件的漏電流會(huì)開始大量增加,短

13、時(shí)間內(nèi)器件也許不會(huì)損壞,但長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致器件擊穿甚至燒毀。IGBT工作在開關(guān)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(guān)特性可以看成開通時(shí)基本與縱軸重合,關(guān)斷時(shí)與橫軸重合。體現(xiàn)開通時(shí)壓降小,關(guān)斷時(shí)漏電流很小的優(yōu)點(diǎn)。飽和壓降VCE（sat): IBTG飽和導(dǎo)通時(shí)的VCE ，一般為2-4v。開關(guān)第14頁/共23頁三 IGBT電氣特性靜態(tài)特性IGBT工作在開關(guān)狀態(tài),就是三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性主要是指IGBT開通以及關(guān)斷過程中的特性,即所謂的開關(guān)特性。關(guān)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(dòng)態(tài)特性主要是指IGBT開通以及關(guān)斷 開通過程與MOS管非常相

14、似。 首先是內(nèi)部MOS結(jié)構(gòu)部分的開通,當(dāng)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(shí)間之后,柵極電壓達(dá)到閾值電壓,此時(shí)開始有電流在作為輸入器件的MOS結(jié)構(gòu)中流動(dòng),并構(gòu)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(gè)由載流子穿越基區(qū)的渡越時(shí)間所決定的延遲之后開始流動(dòng),器件開始導(dǎo)通。由此可以得到,IGBT從最初的施加?xùn)艠O正電壓到IGBT集電極電流上升所經(jīng)歷的開通時(shí)間為兩次延遲之和:ton=td(on)+tr開通過程三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性第16頁/共23頁 開通過程三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性第16頁/共23 三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性從外部結(jié)構(gòu)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(jié)注入的雙極分量，即 IC=IMOS+IBJT，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dāng)VGE值低于閾值電壓時(shí),MOS溝道反型層就會(huì)自行消失。在溝道關(guān)閉之后,電子電流Ie減小為零,但隨著J2結(jié)被反偏,存儲(chǔ)于pnp晶體管基區(qū)中的過剩載流子被不斷擴(kuò)展的空間電荷區(qū)掃出,由于這個(gè)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(chǔ)

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(guān)斷過程第17頁/共23頁從外部結(jié)構(gòu)上看IGBT器件總電流既含有來自溝道的MOS分量，IGBT關(guān)斷過程的電流隨時(shí)間變化大體分為兩個(gè)階段:toff=tf1+tf2第一個(gè)階段MOS管導(dǎo)通電流的迅速降低階段，即陡降階段，下降時(shí)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(gè)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(fù)合有關(guān)的緩慢下降階段（指數(shù)下降階段），下降時(shí)間為tf2，下降時(shí)間主要取決于N基區(qū)空穴流的復(fù)合速度,即N基區(qū)中少數(shù)空穴的壽命。 三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過程第18頁/共23頁IG

17、BT關(guān)斷過程的電流隨時(shí)間變化大體分為兩個(gè)階段: 三 IG 三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性 對IGBT的關(guān)斷時(shí)間，最大的一個(gè)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?yàn)镻NP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(shù)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(guān)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(dǎo)致正向壓降上升。所以 IGBT 的通態(tài)壓降與關(guān)斷時(shí)間之間存在一個(gè)折衷的關(guān)系。IGBT以Vce(sat)和toff為標(biāo)志形成了幾代 產(chǎn)品。 關(guān)斷過程第19頁/共23頁 三 IGBT電氣特性動(dòng)態(tài)特性 對IGBT的關(guān)斷時(shí)四 IGBT 小結(jié)BDAC定義：COMSFET與BJT復(fù)合的全控型電壓驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)器件；結(jié)構(gòu)、原理：PNPN四層結(jié)構(gòu)；用MOSFET控制BJT；背景：80年代發(fā)展至今，IGBT擁有輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)損耗低以及工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)電氣特性：靜態(tài)特性與開關(guān)特性 第20頁/共23頁四 IGBT 小結(jié)BDAC定義：結(jié)構(gòu)、原理：背景：電氣特性：IGBT驅(qū)動(dòng)電路Lorem ipsum dolor sdrweamet cons e