IGBT模塊不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路圖分析 - 全文

　　igbt簡(jiǎn)介

　　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、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

　　IGBT模塊

　　IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品；封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器、UPS不間斷電源等設(shè)備上。

　　IGBT模塊特點(diǎn)

　　IGBT模塊具有節(jié)能、安裝維修方便、散熱穩(wěn)定等特點(diǎn)；當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說(shuō)的IGBT也指IGBT模塊；隨著節(jié)能環(huán)保等理念的推進(jìn)，此類產(chǎn)品在市場(chǎng)上將越來(lái)越多見。

　　IGBT結(jié)構(gòu)

　　上圖所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。

　　IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP（原來(lái)為NPN）晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。

　　IGBT原理

　　方法

　　IGBT是將強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOSFET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改進(jìn)了RDS（on）特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE（sat）的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理圖。

　　導(dǎo)通

　　IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分）。如等效電路圖所示（圖1），其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和 N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。 當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率 MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽(yáng)極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流（MOSFET 電流）； 一個(gè)空穴電流（雙極）。

　　關(guān)斷

　　當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。

　　鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動(dòng)性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。

　　阻斷與閂鎖

　　當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)， J1 就會(huì)受到反向偏壓控制，耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會(huì)連續(xù)地提高壓降。 第二點(diǎn)清楚地說(shuō)明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。

　　當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/N J3結(jié)受反向電壓控制，此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。

　　IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管（如圖1所示）。在特殊條件下，這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對(duì)等效MOSFET的控制能力降低，通常還會(huì)引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說(shuō)，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：

　　當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)，只在關(guān)斷時(shí)才會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級(jí)別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對(duì)PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會(huì)升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。

　　IGBT模塊五種不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路圖

　　1.單管模塊，1 in 1模塊

　　單管模塊的內(nèi)部由若干個(gè)IGBT并聯(lián)，以達(dá)到所需要的電流規(guī)格，可以視為大電流規(guī)格的IGBT單管。受機(jī)械強(qiáng)度和熱阻的限制，IGBT的管芯面積不能做得太大，大電流規(guī)格的IGBT需要將多個(gè)管芯裝配到一塊金屬基板上。單管模塊外部標(biāo)簽上的等效電路如圖1所示，副發(fā)射極（第二發(fā)射極）連接到柵極驅(qū)動(dòng)電路，主發(fā)射極連接到主電路中。

　　圖1 單管，模塊的內(nèi)部等效電路

　　多個(gè)管芯并聯(lián)時(shí)，柵極已經(jīng)加入柵極電阻，實(shí)際的等效電路如圖2所示。不同制造商的模塊，柵極電阻的阻值也不相同；不過，同一個(gè)模塊內(nèi)部的柵極電阻，其阻值是相同的。

　　圖2 單管模塊內(nèi)部的實(shí)際等效電路圖

　　IGBT單管模塊通常稱為1 in 1模塊，前面的“1”表示內(nèi)部包含一個(gè)IGBT管芯，后面的“1”表示同一個(gè)模塊塑殼之中。

　　2.半橋模塊，2 in 1模塊

　　半橋（Half bridge）模塊也稱為2 in 1模塊，可直接構(gòu)成半橋電路，也可以用2個(gè)半橋模塊構(gòu)成全橋，3個(gè)半橋模塊也構(gòu)成三相橋。因此，半橋模塊有時(shí)候也稱為橋臂（Phase-Leg）模塊。

　　圖3是半橋模塊的內(nèi)部等效。不同的制造商的接線端子名稱也有所不同，如C2E1可能會(huì)標(biāo)識(shí)為E1C2，有的模塊只在等效電路圖上標(biāo)識(shí)引腳編號(hào)等。

　　圖3 半橋模塊的內(nèi)部等效電路

　　半橋模塊的電流/電壓規(guī)格指的均是其中的每一個(gè)模塊單元。如1200V/400A的半橋模塊，表示其中的2個(gè)IGBT管芯的電流/電壓規(guī)格都是1200V/400A，即C1和E2之間可以耐受最高2400V的瞬間直流電壓。

　　不僅半橋模塊，所有模塊均是如此標(biāo)注的。

　　3.全橋模塊，4 in 1模塊

　　全橋模塊的內(nèi)部等效電路如圖4所示。

　　圖4 全橋模塊內(nèi)部等效電路

　　全橋（Full bridge）模塊也稱為4 in 1模塊，用于直接構(gòu)成全橋電路；也可以用模塊中的2個(gè)半橋電路并聯(lián)構(gòu)成電流規(guī)格大2倍的半橋模塊，即將分別將G1和G3、G2和G4、E1和E3、E2和E4、E1C2和E3短接。

　　4.三相橋模塊，6 in 1模塊

　　三相橋（3-Phase bridge模塊的內(nèi)部等效電流如圖5所示。

　　圖5 三相橋模塊的內(nèi)部等效電路

　　三相橋模塊也稱為6 in 1模塊，用于直接構(gòu)成三相橋電路，也可以將模塊中的3個(gè)半橋電路并聯(lián)構(gòu)成電流規(guī)格大3倍的半橋模塊。三相橋常用的領(lǐng)域是變頻器和三相UPS、三相逆變器，不同的應(yīng)用對(duì)IGBT的要求有所不同，故制造商習(xí)慣上會(huì)推出以實(shí)際應(yīng)用為產(chǎn)品名稱的三相橋模塊，如3-Phase inverter module（三相逆變器模塊）等。

　　5.PIM模塊，CBI模塊，7 in 1模塊

　　歐美廠商一般將包含圖6所示的7 in 1模塊稱為CBI模塊（Converter-Brake-Inverter Module，整流-剎車-逆變）模塊，日系廠商則習(xí)慣稱其為PIM模塊。

　　圖6 7 in 1模塊內(nèi)部的等效電路

　　制造商一般都會(huì)分別給出模塊中個(gè)功能單元的參數(shù)，表1 是IXYS的MUBW 15-12 T7模塊的主要技術(shù)規(guī)格。

　　表1 MUBW 15-12 T7的主要技術(shù)規(guī)格

　　三相整流橋斷路器三相逆變器NTC

　　VRRM=1600VVCES=1200VVCES=1200VR25=5.0kΩ

　　IFAVM=38AIC25=30AIC25=30AB25/50=3375K

　　IFSM=300AVCE（sat）=1.7VVCE（sat）=1.7V

　　其中，斷路器和三相逆變器給出的都是IGBT管芯的技術(shù)規(guī)格，具體含義參見第3章相關(guān)內(nèi)容；三相整流橋的參數(shù)含義如下。

　　·VRRM：最大反向峰值電壓，峰值，其中一個(gè)二極管的電壓規(guī)格最大值。

　　·IFAVM：最大正向平均電流，最大整流電流，與結(jié)溫或環(huán)境溫度有關(guān)。

　　·IFSM：最大正向浪涌電流，最大正向峰值電流，與結(jié)溫或環(huán)境溫度有關(guān)。

　　NTC的技術(shù)參數(shù)含義如下。

　　· R25：額定零功率電阻值，NTC的冷態(tài)電阻值，電阻本體溫度為25℃時(shí)的電阻值，典型值。R25就是NTC熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。通常所說(shuō)“NTC多少阻值”指的就是R25。

　　· B25/50：熱敏常數(shù)，NTC 電阻材料的電阻—溫度特性，25/50 表示電阻本體的溫度分別為25℃和50℃。根據(jù) R25和B25/50；?？梢杂?jì)算出R50，計(jì)算公式如下：