高铁的IGBT究竟为何物

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       IGBT,是半导体器件的一种,主要用于电动车辆、铁路机车及动车组的交流电电动机的输出控制。传统的BJT导通电阻小,但是驱动电流大,而MOSFET的导通电阻大,却有着驱动电流小的优点。IGBT正是结合了这两者的优点:不仅驱动电流小,导通电阻也很低。这种晶体管结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高电流单栅控制特性及双极性晶体管的低饱和电压的能力,在单一的IGBT器件里,会透过把一个隔离的场效应晶体管(FET)结合,作为其控制输入,并以双极性晶体管作开关。

构造

       绝缘栅双极晶体管其基本包装为三个端点的功率级半导体元件,其特点为高效率及切换速度快,为改善功率级BJT运作的工作状况而诞生。

 

       IGBT结合了场效晶体管栅极易驱动的特性与双极性晶体管耐高电流与低导通电压压降特性,IGBT通常用于中高容量功率场合,如切换式电源供应器、马达控制与电磁炉。大型的IGBT模组应用于数百安培与六千伏特的电力系统领域,其模组内部包含数个单一IGBT元件与保护电路。

 

       IGBT为近数十年发明产物,第一代IGBT产品于1980年代与1990年初期,但其切换速度不快且开关截止时易产生拴锁现象与二次崩溃现象,第二代IGBT产品便有很大的进展,第三代IGBT产品为目前主流,其切换速度直逼功率级MOSFET的速度并且在电压电流容量上有很大的进步。

 

       原理

       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。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏沟道,而这个沟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,但是在高耐压的器件上,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,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。

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       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)。如等效电路图所示(图1),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 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)。

 

       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。

 

       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。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。

 

       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/N J3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。

 

       IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管,如图1所示。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: 防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别。 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。

 

       应用

 

       IGBT可应用于电联车或电动车辆之马达驱动器、变频冷气、变频冰箱,甚至是大瓦特输出音响放大器的音源驱动元件。IGBT特点在于可以大功率场合可以快速做切换动作,因此通常应用方面都配合脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)与低通滤波器(Low-pass Filters)。

 

       由于半导体元件技术的精进,半导体源料品质的提升,IGBT单价价格越来越便宜,其应用范围更贴近家用产品范围,不再只是高功率级的电力系统应用范畴,如电动车辆与混合动力车的马达驱动器便是使用IGBT元件,丰田汽车第二代混合动力车Prius II 便使用50kw IGBT模组变频器控制两组交流马达/发电机 以便与直流电池组作电力能量之间的转换。

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