IGBT的工作原理和工作特性84658(19页).doc

-IGBT的工作原理和工作特性84658-第 18 页IGBT的工作原理和工作特性   IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的工作特性包括静态和动态两类：1静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。   IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示:Uds(on)Uj1UdrIdRoh               （214）            式中Uj1JI结的正向电压，其值为0.7IV；                Udr扩展电阻Rdr上的压降；Roh沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos          (215）                式中Imos流过MOSFET的电流。由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图258所示   IGBT 在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后， PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间， td(off) 为关断延迟时间， trv 为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由图 259 中的 t(f1) 和 t(f2) 两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv + t(f)             （ 216 ）                 式中， td(off) 与 trv 之和又称为存储时间。         IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。 N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel      region ）。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区（Drain injector ），它是 IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成 PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。 IGBT的结构剖面图如图2所示。它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET 的N+基板（漏极）上增加了一个P+ 基板（IGBT 的集电极），形成PN结j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。图1      N沟道IGBT结构                     图2      IGBT的结构剖面图由图2可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如图3所示。图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 N沟道IGBT的图形符号有两种，如图4所示。实际应用时，常使用图25所示的符号。对于P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图4所示。IGBT 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET 内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N一区进行电导调制，减少N一区的电阻 Rdr值，使高耐压的 IGBT 也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET 内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT 即关断。 正是由于 IGBT 是在N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板，形成了四层结构，由PNPNPN晶体管构成 IGBT 。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说， IGBT 的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 N一层作电导率调制，提高电流密度。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N一层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNPNPN 晶体管的连接形成晶闸管。术语符号定义及说明（测定条件参改说明书）集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压 栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的栅极，发射极间最大电压 集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率PC 单个IGBT所允许的最大耗散功率 结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ICES 栅极、发射极间短路，在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。漏电流 IGES 集电极、发射极间短路，在栅极、集电极间加上指定的电压时的栅极漏电流 饱和压降V CE(sat) 在指定的集电极电流和栅极电压的情况下，集电极、发射极间的电压。输入电容 Clss 集电极、发射极间处于交流短路状态，在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时，栅极、发射极间的电容 1. IGBT模块的选定 在使用IGBT模块的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT模块，需要做周密的考虑。a. 电流规格IGBT模块的集电极电流增大时，VCE(-)上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，原件发热加剧。因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（Tj）在 150oC以下（通常为安全起见，以125oC以下为宜），请使用这时的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。一般来说，要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用，从经济角度这是值得推荐的。IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。其相互关系列于表1。根据使用目的，并参考本表，请选择相应的元件。 元器件电压规格600V1200V1400V电源电压200V；220V；230V；240V346V；350V；380V；400V；415V；440V575V2. 防止静电IGBT的VGE的耐压值为±20V，在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合，由于会导致损坏的危险，因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压，这点请注意。在使用装置的场合，如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极一发射极之间接一只10k左左的电阻为宜。此外，由于IGBT模块为MOS结构，对于静电就要十分注意。因此，请注意下面几点：1)      在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。2)      在用导电材料连接驱动端子的模块时，在配线未布好之前，请先不要接上模块。3)      尽量在底板良好接地的情况下操作。4)      当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电放电后，再触摸。 5)      在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产生，请先将焊机处于良好的接地状态下。6)      装部件的容器，请选用不带静电的容器。用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT模块时，可以使用多个器件并联。并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。       为使并联时电流能平衡，适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。1)      保存半导体原件的场所的温度，温度，应保持在常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535，常湿的规定为4575左右。2)      开、关时的浪涌电压等的测定，请在端子处测定。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化 IGBT驱动器的原理图。图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。2.IGBT 的工作特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示：Uds(on) Uj1 Udr IdRoh式中Uj1 JI 结的正向电压，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流Ids 可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos 流过MOSFET 的电流。由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。(1)导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流（双极）。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。(2)导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。(3)关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和 TC有关。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。(4)反向阻断。当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。(5)正向阻断。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。(6)闩锁。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。当前普遍采用的IGBT短路或过流保护方式是通过检测Vce的电压值来实现的5，当IGBT出现短路或过流时，其工作区将退出饱和区而使Vce电压升高，具体的保护电路原理如图6所示。通过二极管D与IGBT的集电极相连来实现IGBT的欠饱和检测，Vce电压升高将相应地使串联二极管的阳极电位升高，当超过设定的短路门限时保护电路动作，关断IGBT。由于IGBT在开通初期的集电极电压比较高，如果此时保护电路工作可能造成误动作，必须设置一个盲区时间，在此时间内短路保护电路是不工作的。此功能是通过开关S和外接并联电阻Rce和电容Cce来实现的，当IGBT关断时，S开通，电容Cce被充电到15V，当IGBT开通时，S关断，Cce电容经Rce放电，放电终止电压为:这样就可以使得在IGBT开通初期，参考电压高于检测电压，防止保护电路误动作，正常工作时的波形如图7(a)所示。发生短路或过流故障时的波形如图7(b)所示。图6短路保护电路原理图(a) (b)图7   保护电路波形驱动信号的隔离传输方式考虑高压大功率IGBT驱动器工作在高电压环境，为了保证控制器不受高压侧的影响，驱动脉冲信号必须经过隔离后再传送到IGBT的栅极。通常的隔离方式有光隔离和磁隔离，光隔离又包括光耦隔离和光纤隔离，光耦隔离方式由于隔离电压相对较低，存在传输延迟、老化和可靠性等方面的问题，在直流母线电压超过800V的高压应用场合很少采用。而采用脉冲变压器隔离方式(磁隔离)可以实现相对较高的隔离电压，而且变压器的可靠性高，传输延迟小，可以实现较高的开关频率，不存在老化的问题，因此在高压IGBT驱动器中多数采用脉冲变压器作为隔离元件来完成驱动信号的隔离传输。传统的驱动用脉冲变压器是将放大后的脉冲信号隔离后直接驱动IGBT或功率MOS管，其基本的电路原理如图2所示。初级串联电容的作用是去除驱动脉冲的直流分量。次级并联的稳压管用于防止输出电压过高而损坏功率开关管。这种工作方式无需单独的驱动电源，电路设计简单，成本也比较低。但是当驱动脉冲的占空比变化范围比较大，特别是在占空比比较大时，由于变压器输出波形在一个周期的伏秒面积必须相等，可能使输出正脉冲幅度减小，以至于无法正常驱动IGBT，通常要求控制脉冲占空比小于50%。同时，脉冲变压器磁芯的饱和问题也限制了控制脉冲的导通时间。另外一个缺点是驱动波形存在失真，特别是在驱动大功率IGBT时，由于IGBT的输入电容比较大，脉冲变压器次级输出的驱动脉冲波形很难满足驱动要求。因此，这种驱动方式主要应用于小功率的开关电源中。 图2脉冲变压器隔离驱动电路图对于高压大功率IGBT，上述驱动方式显然无法应用。通常采用的方法是调制驱动脉冲信号，将其上升沿和下降沿转换为两个反相的窄脉冲信号，脉冲变压器只是将这两个脉冲信号耦合到次级，再通过次级重构的方法还原驱动脉冲信号。其工作原理如图3所示。图3脉冲边缘耦合传递方式此种方法可称为脉冲边缘耦合传递方式。这种方式的优点是脉冲变压器只传递脉冲宽度固定的窄脉冲信号，可以适应占空比宽范围变化的驱动脉冲信号。由于变压器传递的是窄脉冲信号，变压器的磁芯和绕组可以取比较小的值，相应的漏感和分布电容也比较小，这都有利于脉冲变压器的设计和信号的传输。不足之处是增加了变换和重构电路，电路相对比较复杂一些。图4为变换后脉冲变压器初级实验波形。2.3内置DC/DC隔离变换器大功率IGBT驱动模块为了方便用户对驱动电源的设计，内部通常都自带了DC/DC变换器。具有高隔离电压等级的DC/DC变换器无需用户单独设计隔离电源，集成的隔离变换器通常采用半桥式或推挽式的结构，为了增加隔离电压，简化变换器控制电路，一般不带闭环控制，个别驱动器在输出端增加了线性稳压电源来实现驱动电压的稳定。为了减小变压器的体积，工作频率多在100kHz以上。在高压大功率应用场合，根据不同的母线电压，驱动器初次级之间必须要求具有很高的隔离电压耐量，900V DC的母线电压要求至少有4kV AC 的隔离电压。另外一个必须考虑的因素是dv/dt耐量，当IGBT高速开关时，可能产生非常高的dv/dt，此信号可以经过隔离变压器或脉冲变压器耦合到初级控制电路，对控制电路产生干扰。因此，在隔离变压器的设计时还要求其具有非常小的初次级耦合电容，根据对dv/dt耐量具体的要求来决定其变压器耦合电容容量大小，通常情况下都要小于20pF。