IGBT功率半導(dǎo)體器件主要參數(shù)

一、IGBT概念

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。

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)(開關(guān)時(shí)間、開關(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。

IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。

IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性又稱開關(guān)特性，IGBT的開關(guān)特性分為兩大部分：一是開關(guān)速度，主要指標(biāo)是開關(guān)過(guò)程中各部分時(shí)間;另一個(gè)是開關(guān)過(guò)程中的損耗。

IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示：：

Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh

式中Uj1——JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7～1V;Udr——擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降;Roh——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos——流過(guò)MOSFET的電流。

由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V。IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。

IGBT在開通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton即為td(on)tri之和，漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成。

IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。

IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。

IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。