IGBT工作原理及測(cè)試

一、IGBT工作原理

1.什么是IGBT

IGBT：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)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, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

二、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過(guò)激活或停用其柵極端子來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過(guò)柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)啟。另一方面，如果IGBT 的柵極端電壓為零或略為負(fù)，則會(huì)關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實(shí)現(xiàn)的放大量是其輸出信號(hào)和控制輸入信號(hào)之間的比率。對(duì)于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。另一方面，對(duì)于 MOS管，沒(méi)有輸入電流，因?yàn)闁艠O端子是主通道承載電流的隔離。我們通過(guò)將輸出電流變化除以輸入電壓變化來(lái)確定 IGBT 的增益。

如下圖所示，當(dāng)集電極相對(duì)于發(fā)射極處于正電位時(shí)，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對(duì)于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開(kāi)始從集電極流向發(fā)射極。IGBT 中的集電極電流Ic 由兩個(gè)分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過(guò)注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過(guò) Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此盡管 Ih幾乎可以忽略不計(jì)，因此 Ic ≈ Ie。在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過(guò)某個(gè)閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對(duì)集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無(wú)法關(guān)閉?，F(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強(qiáng)制換流的情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會(huì)損壞設(shè)備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個(gè)器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應(yīng)時(shí)工作，它是柵極電壓，即VG。如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會(huì)增加，然后它會(huì)增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓 ( VGE )。因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。

三、IGBT功率半導(dǎo)體器件主要測(cè)試參數(shù)

近年來(lái)IGBT成為電力電子領(lǐng)域中尤為矚目的電力電子器件,并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,那么IGBT的測(cè)試就變的尤為重要了。IGBT的測(cè)試包括靜態(tài)參數(shù)測(cè)試、動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試、功率循環(huán)、HTRB可靠性測(cè)試等，這些測(cè)試中最基本的測(cè)試就是靜態(tài)參數(shù)測(cè)試。

IGBT靜態(tài)參數(shù)主要包含：柵極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)、柵極-發(fā)射極漏電流IGEs、集電極-發(fā)射極截止電流ICEs、集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)、續(xù)流二極管壓降VF、輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss。只有保證IGBT的靜態(tài)參數(shù)沒(méi)有問(wèn)題的情況下，才進(jìn)行像動(dòng)態(tài)參數(shù)(開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、續(xù)流二極管的反向恢復(fù))、功率循環(huán)、HTRB可靠性方面進(jìn)行測(cè)試。

四、IGBT功率半導(dǎo)體器件測(cè)試難點(diǎn)

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)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，兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)IGBT芯片屬于電力電子芯片，需要工作在大電流、 高電壓、高頻率的環(huán)境下，對(duì)芯片的可靠性要求較高。這給IGBT測(cè)試帶來(lái)了一定的困難：

1、IGBT是多端口器件，需要多種儀表協(xié)同測(cè)試；

2、IGBT的漏電流越小越好，需要高精度的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試；

3、IGBT的電流輸出能力很強(qiáng)，測(cè)試時(shí)需要快速注入1000A級(jí)電流，并完成壓降的釆樣；

4、IGBT耐壓較高，一般從幾千到一萬(wàn)伏不等，需要測(cè)量?jī)x器具備高壓輸出和高壓下nA級(jí)漏電流測(cè)試的能力；

5、由于IGBT工作在強(qiáng)電流下，自加熱效應(yīng)明顯，嚴(yán)重時(shí)容易造成器件燒毀，需要提供μs級(jí)電流脈沖信號(hào)減少器件自加熱效應(yīng)；

6、輸入輸出電容對(duì)器件的開(kāi)關(guān)性能影響很大，不同電壓下器件等效結(jié)電容不同，C-V測(cè)試十分有必要。

五、測(cè)試總結(jié)

完成功率半導(dǎo)體器件的完整參數(shù)測(cè)試，包括IV，CV和Qg，支持在高低溫條件下進(jìn)行參數(shù)測(cè)試；

測(cè)試全自動(dòng)化，B1506A將所有的接線切換通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量的自動(dòng)化，既能保證測(cè)試精度和重復(fù)性，同時(shí)極大的提升了測(cè)量速度；

可以建立Datasheet Characterization測(cè)試模板，測(cè)試結(jié)果可以輸出測(cè)試數(shù)據(jù)、Datasheet報(bào)告和數(shù)據(jù)匯總等。