IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），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)前市場上銷售的多為此類模塊化產(chǎn)品，一般所說的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)品在市場上將越來越多見；
IGBT是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷追Q電力電子裝置的“CPU”，作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域應(yīng)用極廣。
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/NJ3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，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別，降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對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的使用方法
IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復(fù)合型功率器件。它結(jié)合功率MOSFET的工藝技術(shù)，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個(gè)芯片中。該器件具有開關(guān)頻率高、輸入阻抗較大、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡單、低飽和電壓及大電流等特性，被作為功率器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域（例如：伺服電機(jī)的調(diào)速、變頻電源）。為使我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠更安全、更可靠的工作，對IGBT的保護(hù)顯得尤為重要。
目前，在使用和設(shè)計(jì)IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計(jì)模式——所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導(dǎo)體領(lǐng)域的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢，結(jié)合瞬態(tài)抑制二極管的特點(diǎn)，在研究IGBT失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過整合系統(tǒng)內(nèi)外部來突破設(shè)計(jì)瓶頸。本文將突破傳統(tǒng)的保護(hù)方式，探討IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)的解決方案。
IGBT失效場合：來自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢、負(fù)載突變都會(huì)引起過電壓和過電流;來自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動(dòng)、電力線感應(yīng)、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。
IGBT失效機(jī)理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使IGBT鎖定失效。同時(shí)，較高的過電壓會(huì)使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區(qū)，使管子開關(guān)損耗增大。
IGBT傳統(tǒng)防失效機(jī)理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關(guān)斷過電壓;在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等;在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過電壓。
IGBT失效防護(hù)
集電極過電壓、過電流防護(hù)，以IGBT變頻調(diào)速電源主電路為例（圖1）。
在集電極和發(fā)射極之間并接RC濾波電路，可有效地抑制關(guān)斷過電壓和開關(guān)損耗。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于DC電源前端的浪涌突波會(huì)使集電極過電壓，并使RC濾波電路部分的抑制效果生效，IGBT通常都會(huì)被擊穿或者短路。另外，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)時(shí)的大電流，在主線路中分布的電感亦會(huì)造成較大程度的感應(yīng)過電壓，使IGBT損壞。同時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁造成的感應(yīng)電動(dòng)勢，對電路的破壞也相當(dāng)?shù)卮?mdash;—工程師們經(jīng)常沒有考慮到這一點(diǎn)。
圖1：IGBT變頻調(diào)速電源主電路
上述情況，浪涌突波部分可以用防雷電路進(jìn)行防護(hù)。瞬雷電子開發(fā)的藍(lán)寶寶浪涌抑制器（BPSS），在雷擊方面既具有極大的過電流能力，又具有極低的殘壓。同時(shí)，針對電機(jī)部分，參照ISO7637的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該產(chǎn)品完全可以使用。而使用其他器件則不能同時(shí)達(dá)到上述兩種情況。具體問題有：壓敏電阻在ISO7637的長波（P5A）中容易失效，并且不宜長期使用;陶瓷放電管不能直接用于有源電路中，常因續(xù)流問題導(dǎo)致電路短路，并且抑制電壓過高。
柵極過電壓、過電流防護(hù)
傳統(tǒng)保護(hù)模式：防護(hù)方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設(shè)置一些保護(hù)元件，如下圖的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放（其阻值可取5kΩ）;兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1和V2，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外，還有實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動(dòng)的IGBT之間的隔離設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)適合柵極的驅(qū)動(dòng)脈沖電路等。然而即使這樣，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時(shí)甚至?xí)?%。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關(guān)系，而穩(wěn)壓管在此的響應(yīng)時(shí)間和耐電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過熱而損壞。
圖2：傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對比
新型保護(hù)模式：將傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）。一般柵極驅(qū)動(dòng)電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US6kV。
TVS反應(yīng)速度極快（達(dá)PS級），通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管（可達(dá)上千安培），同時(shí)，TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。
將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)（PPTC）保險(xiǎn)絲。它既具有電阻的效果，又對溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時(shí)，其阻抗也在增加，從而對過流具有非常好的抑制效果。
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