淺談IGBT的閂鎖效應(yīng)

閂鎖(Lanch-up)效應(yīng)，一般我們也可以稱之為擎住效應(yīng)，是由于IGBT超安全工作區(qū)域而導(dǎo)致的電流不可控現(xiàn)象，當(dāng)然，閂鎖效應(yīng)更多的是決定于IGBT芯片本身的構(gòu)造。實際工作中我們可能很少聽到一種失效率，閂鎖失效，今天我們就來聊一聊什么是閂鎖效應(yīng)。

關(guān)于IGBT的構(gòu)造我們這里不再贅述，集MOS和BJT于一身的"男人"，一般我們認為IGBT的理想等效電路如下圖所示

上圖直觀地顯示了IGBT的組成，是對PNP雙極型晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。

故在G-E之間外加正向電壓使MOS管導(dǎo)通時，PNP晶體管的基極-集電極之間就連上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。此后，使G-E之間的電壓為零或者負壓時，首先MOS管處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而使IGBT關(guān)斷。所以，IGBT和MOS一樣，都是電壓控制型器件。

那閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生是在哪里呢?

其實IGBT的實際等效電路與上面我們講到的理想等效電路略有不同，還需要考慮其內(nèi)部寄生的內(nèi)容，如下圖

從上圖我們可以看處，實際等效電路是由可控硅和MOS構(gòu)成的。內(nèi)部存在一個寄生的可控硅，在NPN晶體管的基極和發(fā)射極之間并有一個體區(qū)擴展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流會在Rs上產(chǎn)生一定的電壓降，對于NPN基極來說，相當(dāng)于一個正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流分為內(nèi)，這個正偏電壓不會很大，對于NPN晶體管起不了什么作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時，該正向電壓則會大到足以使NPN晶體管開通，進而使得NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。此時，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極則會失去其原本的控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是我們所說的閂鎖效應(yīng)，也就是擎住效應(yīng)，準(zhǔn)確的應(yīng)該說是靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極的電流增大，產(chǎn)生過高的功耗，從而導(dǎo)致器件失效。

動態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時電流下降太快(di/dt大)，dv/dt很大，引起的較大位移電流，流過Rs,產(chǎn)生足以使NPN晶體管導(dǎo)通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管的自鎖。

在IGBT中，在有過電流流過時，我們通過控制門極來阻斷過電流，從而進行保護。但是，一旦可控硅觸發(fā)，由于可控硅不會由于門極的阻斷信號等而進行自動消弧，因此此時的IGBT不可能關(guān)斷，最終導(dǎo)致IGBT因過電流而損壞。

那么我們可以怎么樣來防止或者說是減小擎住效應(yīng)呢?一般有以下幾種技術(shù)：

①采用難以產(chǎn)生擎住效應(yīng)的構(gòu)造，也就是減小體區(qū)擴展電阻Rs;

②通過優(yōu)化n緩沖層的厚度和摻雜來控制PNP晶體管的hFE;

③通過導(dǎo)入降低壽命的手段來控制PNP晶體管的hFE;

所以，關(guān)于IGBT的實際應(yīng)用，我們是不允許其超安全工作區(qū)域的，針對這個，我們采用了很多保護手段。所以，每個元器件，有的時候我們考慮的只是我們需要觀察的，但是其背后的故事則會告訴我們，為什么我們應(yīng)該這樣去考量。

從原材料到成品IGBT，這個過程經(jīng)歷了太多環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都很重要，這才有了滿足我們需求的各類元器件。