IGBT基础和应用要求

分类情况
IGBT产品已从第一代的PT型发展到目前第四代的SPT 型(PT→NPT → Trench → SPT/CSTBT)，但各厂家不同代之 间的技术定义不尽相同；从开关速度分有低速(≤8KHz)、中 速(8－40KHz)和高速(40KHz以上)；封装方式主要有单管朔 封和模块封装，两者都各有不同系列，特别是模块封装有单 管、多管、PIM和IPM；从栅极技术特点分平面栅极和立体 (Trench)栅极；从基区电场行为的技术特点分有穿通型(PT) 、非穿通型(NPT)和软穿通型(SPT) 。
发展趋势
功率电路的发展要求仍然是高频化、高输出功率、高 效和低噪声，由此而对器件提出的综合要求除了具有低损 耗、高开关速度、高反向耐压、高dV/dt耐量、安全工作区 宽等特点外，在低噪声（芯片技术与封装技术结合）和抗 干扰方面有更进一步要求。 IGBT技术在过去的十几年内经历了快速发展阶段。目 前芯片技术的主要特点是四种技术共存的局面，其中SPT技 术正逐步取代NPT技术成为主流技术。已能批量提供SPT技 术芯片的厂家是ABB、INFINEON和MITSUBISHI。未来3年内 Si材料IGBT芯片的综合性能将有进一步完善（UPS选型），
基本特性介绍
二、导通特性 由于结构上的特点，IGBT的通态压降包含了驱动用 MOSFET的压降和P-N结的结压降之和，它与门极驱动电压有 密切关系，在额定栅极电压范围内，电压降随栅极电压增加 而减小。但应用上栅极电压的增加受短路时的集电极电流要 求限制。 和功率晶体管一样IGBT工作时引入了电导调制效应使导 通压降得到减小，这一点还可以基本消除器件的额定电压对 导通压降的影响。但是随着电导调制程度的增加使IGBT出现 了擎住效应。通态压降的温度系数较小（深入一点可以讨论 以下正温度系数和负温度系数问题）。
பைடு நூலகம்
基本特性介绍
三、开关特性 IGBT开关特性涉及的主要内容是开关速度和开关损耗， 开关损耗主要决定于开关速度，因此研究开关特性可集中讨 论开关速度。IGBT的开关速度直接受基区中的少子寿命影响 ，不能通过外部驱动电路来缩短开关时间。IGBT的关断时间 远大于深饱和状态的GTR器件，使得其关断损耗增加。 由于关断时间的延长，在半桥式电路中，为了避免上下 桥臂同时导通，必须增加死区时间。 IGBT的开关性能随温 度升高而降低。
发展趋势
芯片技术的另一发展方向是SiC材料的应用，2006年将有SiC 材料IGBT面市。 IGBT技术发展的另一研究领域是封装技术，主要任务是 解决散热、热疲劳和对自身的干扰问题。目前在大电流模块 封装技术方面改善热疲劳性能的途径是采用新型的基板材料 ：Al2O3→AlN→AlSiC（大容量选型）。
IGBT培训资料
IGBT基础和应用要求 物品部功率器件组 2002-07
内容提纲
一、分类情况 二、基本特性——结构及特点、导通特性、开关特性、 ESD 三、参数解读——IFAV、ICM、 VCES、 VCE（ON）、 VGE、 PD、TJM Cies、Cres、Qg、tr、tf、 Eon 、 Eoff 四、驱动与保护技术、并联使用 五、降额使用和失效 六、发展趋势 七、问题与思考
参数解读
tr ：10%至90％集电极电流； td（off）：90％的栅极电压至90％的集电极电流； tf ：90%至10％集电极电流。 值得注意的是开关时间只为估算开关速度和预留死区时 间提供依据，而不能据此来推算开关损耗，导通能量Eon与 栅极电荷Qg存在更为密切的关系，关断能量Eoff的计算除了 考虑下降时间外还应考虑10%集电极电流以后的拖尾电流部 分。开关能量与栅极电阻、工作电流、工作温度有关，各厂 家对Eon和 Eoff定义所选取的时间段也稍有差异，因而比较数 据表上给出的数值并不确切。
参数解读
一、连续集电极电流（IC）与饱和压降VCE（ON） 在规定的壳温下通过额定直流电流时，IGBT的结温将被提 升到极限值。其通流能力随温度上升近似呈直线下降，饱和压 降则为电流和温度的函数。厂家一般会给出25℃壳温和另一壳 温条件（80℃~110℃不等）条件下的集电极连续电流值，同时 会给出IC－TC、VCE（ON）－ IC曲线。 二、 脉冲集电极电流（ICM） 最大集电极脉冲电流值ICM是由避免动态擎住而确定的，它 的大小与壳温、脉冲宽度和占空比有关。
参数解读
六、输入电容Cies、密勒电容Cres即栅极电荷Qg 输入电容Cies 为栅极与集电极之间的电容CGC及栅极与 发射极之间的电容CGE之和；栅极电荷是与发射极电压直接 相关的一个参数，其大小对估算栅极驱动电路的功率要求有 直接意义；密勒电容Cres＝ CGC。由于密勒电容的存在，使 得IGBT在开通过程中减小了VGE上升速度，而在关断过程则 减小集电极电流IC的下降速度，两者均使开关损耗增加。因 此，设法将密勒电容的数值减到最小一直成为器件设计制造 的任务之一。 七、开关时间td（on）、tr、 td（off）、tf，开关能量Eon、Eoff td（on）：10％栅极电压至10％的集电极电流；
问题与思考
1、为何IGBT的栅极电压通常应限制在20V以内？ 2、在IGBT应用电路中，栅－发射极之间并入齐纳二极管 的作用是什么？为什么它应尽可能就近地同该器件相连？ 3、IGBT在应用时串入栅极电阻，它对IGBT的行为有那些 重要影响？ 4、在高频应用中，为什么在中小电流范围以MOSFET常见 、而在大电流范围则以IGBT常见？ 6、在桥式应用中有哪些因素引发IGBT因穿通而损坏？ 7、IGBT的脉冲集电极电流通常定义在两倍平均电流值， 为什么？
基本特性介绍
减少少子寿命的工艺和加入收集少子的N+缓冲层，通常可缩 短复合时间。但是这样由于PNP管的增益降低进而使导通压降增 加。 IGBT的开通过程与理想开关之间存在无可克服的差异，主 要表现在栅极电阻RG、栅射极电容CGE、发射极杂散电感LE和密 勒电容CGC对栅极电压的综合影响。 四、ESD IGBT的栅氧比小功率MOSFET和MOSIC的要厚，这使得它 对静电不如后两者敏感。但是IGBT毕竟是MOS栅器件，应用中 须有防静电措施。
谢谢！
驱动、保护及并联使用
2、为使瞬变和振荡减到最小，应在栅极串联一个低值的电阻（几 到几百 不等，见厂家推荐的数值或图表）； 3、栅－发射极之间应设计齐纳二极管，并尽可能近地同该器件相连 4、驱动电路布线必须采用适当的接地，驱动电流导线尽可能短； 5、避免主回路导电条与驱动电路混合或相交； 6、驱动器电源两端须有高频旁路方式，并尽可能接近驱动电路； 7、必要时具有高压电平偏转功能和单电源驱动用自举功能； 8、采用集成模块式驱动。
驱动、保护及并联使用
一、驱动方式与驱动要求 栅极驱动设计牵涉IGBT的有效开关、损耗及短路能力 ，其性能好坏与应用的可靠性有直接联系。IGBT的驱动方 式从易到繁分直接驱动、电流源驱动、双电源驱动、隔离 驱动（又分变压器隔离与光电隔离）、集成模块式驱动， 在需要有延迟开通功能时多采用光电隔离驱动或集成模块 驱动方式。综合起来、驱动设计的一般要求有以下几点： 1、栅极驱动电路必须能够传送一个与总的栅极电荷乘以开 关频率相等的平均电流，它也必须能够传送2到3A的峰值电 流。同时能输出用于关断的负电平；
驱动、保护及并联使用
三、IGBT的并联使用 IGBT并联使用时突出的问题是均流，影响均流的直流参 数是VGE(th)、gfs和VCE(on) ，饱和压降偏差不要超过15%，阈 值电压偏差不要超过10%，跨导也要近可能接近。此外，驱 动电阻应分立，以防止出现振荡， 驱动电路、发射极的弥散 电感对并联影响尤其重要，应尽可能地对称。并联的IGBT 应使用同一散热器。尽管采取了以上的措施，并联器件的不 均流问题始终是不能完全排除的，因此、并联使用的IGBT 电流额定值应有一定的降额，其计算方法可参照下式进行：
参数解读
三、集电极—发射极电压（VCES） 它表征了IGBT的正向阻断能力，为了避免MOS结构的正向 PN 结击穿，其两端的电压不能超过这个额定电值。 四、最高栅极—发射极电压（VGES） 栅极电压受栅氧厚度和质量限制，为保证可靠工作并限制故 障状态下的集电极电流，栅极电压通常应限制在20V以内。 五、最高结温TJM和最大功耗PD IGBT能正常工作时其芯片PN 结能承受的最高温度即为最高 结温。对于规定的封装，在壳温25℃条件下当其耗散功率达到 最大功耗值时结温同时提升到最高结温。IGBT的工作寿命与结 温有极为重要的关系。
降额使用和失效
器件降额使用的主要目的是保证器件应用的可靠性。公 司制定的降额总规范定义了(器件)工作区域、(产品)等级，给 出了器件应力降额考核点及其规定和测算方法。IGBT的降额 要求主要有电压、电流、温度三类应力考核点，其中电压应 力分集电极电压合栅极电压、电流应力分平均电流和脉冲电 流、温度应力分壳温和结温。 IGBT的失效模式主要有过电流、过电压、过温和栅极失 效等。桥式应用的IGBT中最具破坏性的一种失效机理是穿通 （推挽输出的两个IGBT同时导通）。
驱动、保护及并联使用
二、保护技术 IGBT的保护技术几乎都是通过对驱动信号的控制来实现 的，这一点更突现出驱动技术的重要。典型的保护技术包含 了控制电压异常保护（过压与欠压）、集电极过流保护、输 入联锁保护、短路保护及系统过热保护。各种保护功能的实 现方法因IGBT的应用场合各有不同，如在变频器应用中， 短路保护和控制信号低电压保护可通过P侧IGBT的驱动电路 来实现，而过流保护、控制信号异常保护、系统过热保护可 通过N侧IGBT驱动电路来实现。此外、为了实现过流保护 时的软关断，可用过流警告信号来控制驱动信号。
基本特性介绍
一、结构及特点 IGBT是由功率MOSFET和GTR复合而成的达林顿结构，因 而是MOS控制型器件。器件制造者们最初的想法是将MOSFET 的高开关速度和GTR的低损耗大电流集成到一个器件身上，实 用阶段的IGBT中这两者是相互制约的，后来其技术研究几乎 都是为了解决这一矛盾而展开（现在又引入了新的内容）。由 此、其栅极结构由平面型改成了立体型，其晶体管结构出现了 穿通型、非穿通型和软穿通型，这些结构购上的变化均使开关 特性和损耗不断得到综合改善。