IGBT的分類及主要參數(shù)（PT-IGBT與NPT-IGBT區(qū)別）-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯IGBT的分類及主要參數(shù)（PT-IGBT與NPT-IGBT區(qū)別）-基礎(chǔ)電子IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導(dǎo)體場(chǎng)控自關(guān)斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡(jiǎn)單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電力變換中獲得極廣泛的應(yīng)用。與此同時(shí)，各大半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商不斷開(kāi)發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可性、低成本技術(shù)，主要采用1ｕm以下制作工藝，研制開(kāi)發(fā)取得一些新進(jìn)展。

分類及其含義說(shuō)明

1、低功率IGBT

IGBT應(yīng)用范圍一般都在600V、1KA、1KHz以上區(qū)域，為滿足家電行業(yè)的發(fā)展需求，摩托羅拉、ST半導(dǎo)體、三菱等公司推出低功率IGBT產(chǎn)品，實(shí)用于家電行業(yè)的微波爐、洗衣機(jī)、電磁灶、電子整流器、照相機(jī)等產(chǎn)品的應(yīng)用。

2、U-IGBT

U（溝槽結(jié)構(gòu)）--TGBT是在管芯上刻槽，芯片元胞內(nèi)部形成溝槽式柵極。采用溝道結(jié)構(gòu)后，可進(jìn)一步縮小元胞尺寸，減少溝道電阻，提高電流密度，制造相同額定電流而芯片尺寸少的產(chǎn)品?，F(xiàn)有多家公司生產(chǎn)各種U—IGBT產(chǎn)品，適用低電壓驅(qū)動(dòng)、表面貼裝的要求。

3、NPT-IGBT

NPT（非傳統(tǒng)型）--IGBT采用薄硅片技術(shù)，以離子注入發(fā)射區(qū)代替高復(fù)雜、高成本的厚層高阻外延，可降低生產(chǎn)成本25%左右，耐壓越高成本差越大，在性能上更具有特色，高速、低損耗、正溫度系數(shù)，無(wú)鎖定效應(yīng)，在設(shè)計(jì)600—1200V的IGBT時(shí)，NPT—IGBT可*性。西門子公司可提供600V、1200V、1700V系列產(chǎn)品和6500V高壓IGBT，并推出低飽和壓降DLC型NPT—IGBT，依克賽斯、哈里斯、英特西爾、東芝等公司也相繼研制出NPT—IGBT及其模塊系列，富士電機(jī)、摩托羅拉等在研制之中，NPT型正成為IGBT發(fā)展方向。

4、SDB--IGBT

鑒于目前廠家對(duì)IGBT的開(kāi)發(fā)非常重視，三星、快捷等公司采用SDB（硅片直接鍵合）技術(shù)，在IC生產(chǎn)線上制作第四代高速IGBT及模塊系列產(chǎn)品，特點(diǎn)為高速，低飽和壓降，低拖尾電流，正溫度系數(shù)易于并聯(lián)，在600V和1200V電壓范圍性能優(yōu)良，分為UF、RUF兩大系統(tǒng)。

5、超快速IGBT

國(guó)際整流器IR公司的研發(fā)重點(diǎn)在于減少IGBT的拖尾效應(yīng)，使其能快速關(guān)斷，研制的超快速IGBT可限度地減少拖尾效應(yīng)，關(guān)斷時(shí)間不超過(guò)2000ns，采用特殊高能照射分層技術(shù)，關(guān)斷時(shí)間可在100ns以下，拖尾更短，重點(diǎn)產(chǎn)品專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)，現(xiàn)有6種型號(hào)，另可用在大功率電源變換器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基礎(chǔ)上推出兩款結(jié)合FRD（快速恢復(fù)二極管）的新型器件，IGBT/FRD有效結(jié)合，將轉(zhuǎn)換狀態(tài)的損耗減少20%，采用TO—247外型封裝，額定規(guī)格為1200V、25、50、75、100A，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和功率轉(zhuǎn)換，以IGBT及FRD為基礎(chǔ)的新技術(shù)便于器件并聯(lián)，在多芯片模塊中實(shí)現(xiàn)更平均的溫度，提高整體可靠性。

7、IGBT功率模塊

IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無(wú)源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。

IGBT的主要參數(shù)

（1）額定集電極—發(fā)射極電壓u。，?！谑覝叵?，IGBT所允許的集電極—發(fā)射極問(wèn)電壓，一般為其擊穿電壓U(BR)CEO的60%~80%。其單位為V；

(2)額定柵極—發(fā)射極電壓UGER——在室溫下，當(dāng)IGBT的集電極—發(fā)射極間電壓為UCER時(shí)，柵極—發(fā)射極問(wèn)允許施加的電壓，一般小于20V。其單位為V；

(3)集電極通態(tài)電流Ic——在室溫下，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，集電極允許通過(guò)的電流的有效值稱為IGBT的額定電流，用ICE表示；而允許通過(guò)的峰值電流用ICM表示。在電流脈沖寬度為1μs時(shí)，ICM≈2ICE，其單位為A；

(4)集電極功耗PCM——在室溫下，IGBT集電極允許的功耗。其單位為W；

(5)柵極漏電流IGEO——在室溫下，當(dāng)UCE＝0V、柵極—發(fā)射極電壓為其額定值UGER時(shí)，IGBT柵極—發(fā)射極間的電流。其單位為μA；

(6)集電極斷態(tài)電流ICES一一在室溫下，當(dāng)集電極—發(fā)射極間電壓為額定值UCER，柵極—發(fā)射極電壓UGE=0時(shí)的集電極電流，即集電極漏電流。其單位為mA；

(7)柵極—發(fā)射極開(kāi)啟電壓UGE(th）——在室溫下，IGBT從關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，柵極—發(fā)射極間電壓。其單位為V；

(8)集電極—發(fā)射極飽和電壓UCE(sat）——在室溫下，集電極—發(fā)射極間的電壓降，一般為3V以下。其單位為V；

(9)柵極電容C，。，-IGBT柵極—發(fā)射極間的輸入電容，一般為3000一30000pF;

(10)導(dǎo)通延遲時(shí)間td——在室溫下，柵極-發(fā)射極問(wèn)電壓從反向偏置變到UGE=UGE（th）所需的時(shí)間。其單位為μs或ns；

(11)電流上升時(shí)間tir——在室溫下，在導(dǎo)通過(guò)程中，從柵極—發(fā)射極電壓達(dá)到開(kāi)啟電壓UGE（th）起，到集電極電流達(dá)到ICM所需的時(shí)間。其單位為μs或ns；

(12）電壓下降時(shí)間tuf——在室溫下，在導(dǎo)通過(guò)程中，從.IGBT的集電極—發(fā)射極間電壓開(kāi)始下降起，到集電極—發(fā)射極電壓達(dá)到飽和電壓UCE(sat）所需的時(shí)間。其單位為vs或ns；

(13)導(dǎo)通時(shí)間ton——ton＝td+tir+tuf。其單位為μs或ns；

(14)存儲(chǔ)時(shí)間ts——在室溫下，在關(guān)斷過(guò)程中，從IGBT的柵極—發(fā)射極開(kāi)始下降起，到柵極—發(fā)射極電壓下降到UGE＝UGE(th)，集電極電流開(kāi)始下降所需的時(shí)間。其單位為μs或ns；

(15)電壓上升時(shí)間tur——在室溫下，在關(guān)斷過(guò)程中，從IGBT的集電極電流開(kāi)始下降起，到因di/dt的作用產(chǎn)生電壓過(guò)沖所需的時(shí)間。其單位為μs或ns；

(16)電流下降時(shí)間tif——在室溫下，在關(guān)斷過(guò)程中，從IGBT的集電極—發(fā)射極間產(chǎn)生電壓過(guò)沖起，到集電極電流下降到集電極—發(fā)射極漏電流所需的時(shí)間。其單位為μs或ns；

(17)關(guān)斷時(shí)間toff——toff=ts+tur+tif。其單位為μs或ns；

(18)du/dt-在室溫下，IGBT不產(chǎn)生誤導(dǎo)通，集電極—發(fā)射極問(wèn)所能承受的的電壓上升率。其單位為V/μs；

(19)熱阻Rθ——在室溫下，單位功耗引起IGBT管芯的溫升。其單位為℃/W；

(20)允許結(jié)溫TjM——IGBT所允許的結(jié)溫。其單位為℃。TjM與IGBT的封裝形式有關(guān)。對(duì)于塑封單管IGBT，TjM=125℃；對(duì)于模塊化封裝的IGBT，TjM＝150℃。

PT-IGBT與NPT-IGBT的區(qū)別

PT-IGBT與NPT-IGBT是同是采用溝槽柵或平面柵技術(shù)，但是他們的發(fā)展方向不一致。

·PT-IGBT：采用平面柵或者溝槽柵，技術(shù)改進(jìn)的主要方向是控制載流子壽命和優(yōu)化N+緩沖區(qū)。

·NPT-IGBT：采用平面柵或者溝槽柵，技術(shù)改進(jìn)的主要方向是減小芯片厚度.。

PT與NPT結(jié)構(gòu)與原理對(duì)比

1．PT-IGBT

所謂PT（PunchThrough，穿通型），是指電場(chǎng)穿透了N-漂移區(qū)（圖1中③)，電子與空穴的主要匯合點(diǎn)在N一區(qū)[圖1(c)]。

NPT在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)的時(shí)間(1982年)要早于PT(1985)，但技術(shù)上的原因使得PT規(guī)模商用化的時(shí)間比NPT早，所以第1代IGBT產(chǎn)品以PT型為主。

PT-IGBT很好地解決了IGBT的閂鎖問(wèn)題，但是需要增加外延層厚度，技術(shù)復(fù)雜，成本也高。IGBT芯片中的外延層與電壓規(guī)格是直接相關(guān)的，電壓規(guī)格越高、外延層越厚，IZOOV、2000V的PT-IGBT外延層厚度分別達(dá)到了100μm和200μm。

2．NPT-IGBT

所謂NPT（Non-PunchThrough，非穿通），是指電場(chǎng)沒(méi)有穿透N-漂移區(qū)，構(gòu)如圖3所示。NPT的基本技術(shù)原理是取消N十緩沖區(qū)（圖1中的④)，直接在集電區(qū)（圖1中的⑤）注入空間電荷形成高阻區(qū)，電子與空穴的主要匯合點(diǎn)換成了P十集電區(qū)。這項(xiàng)技術(shù)又被稱為離子注入法、離子摻雜工藝。

3．PT-IGBT與NPT-IGBT生產(chǎn)工藝與技術(shù)性的區(qū)別

PT與NPT型IGBT是目前的主流產(chǎn)品類型，600V電壓規(guī)格的IGBT基本上是PT型，600v以下則全是PT型。二者在生產(chǎn)工藝與技術(shù)性能上的差別參見(jiàn)表1。

項(xiàng)目PT-IGBT芯片NPT-IGBT芯片

生產(chǎn)工藝與芯片結(jié)構(gòu)原料f單晶硅）低電阻率的P+單晶硅（生成P+背發(fā)射區(qū)）高電阻率的N-單晶硅（生成N-漂移區(qū)）

外延工藝需要不需要

MOS結(jié)構(gòu)在外延層中在單晶硅中

芯片減薄工藝基本不需要（為了保證電壓規(guī)格）需要（有利于提高性能）

離子注入工藝不需要（P+背發(fā)射區(qū)已經(jīng)生成）需要（生成P+背發(fā)射區(qū)）

高能離子輻照工藝需要（中子、電子等）（目的是提高開(kāi)關(guān)速度）不需要

成本100%約75

技術(shù)指標(biāo)與性能飽和壓降低，負(fù)溫度系數(shù)高，正溫度系數(shù)

開(kāi)關(guān)功耗低高

關(guān)斷功耗高，收溫度的影響大低，受溫度的影響小

關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)（飽和壓降指標(biāo)相同時(shí)）短（飽和壓降指標(biāo)相同時(shí)）

拖尾電流短，受溫度的影響大長(zhǎng)，受溫度的影響小

閂鎖易出現(xiàn)，抗短路能力弱不易出現(xiàn)，抗短路能力強(qiáng)

雪崩擊穿抗雪崩擊穿能力低抗雪崩擊穿能力高

并聯(lián)復(fù)雜，飽和壓降指標(biāo)需要配對(duì)容易，