IGBT指南剖析.docx
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IGBT指南剖析.docx
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IGBT指南剖析
介绍:
因为IGBT具有简单的门极驱动和较低的导通损耗,所以在大电流和大电压的应用场合中它迅速取代了双极性功率晶体管。
而且它在开关速度,导通损耗和耐用上的良好的折衷使得它在高频和高效领域中能逐步替代MOSFET的位置.实际上,除了十分低电流的应用,工业生产的趋势是用IGBT取代功率MOSFET,为了帮助理解折中和帮助电路设计人员更好的选取和应用IG盯,这个应用文件提供了一个简单的IGBT技术的介绍和APTIGBT的数据表,
怎样选择IGBT
这个部分被专门放在技术文章之前。
下列棘手的问题的答案将帮助确定那些IGBT适合干特别的应用。
在NPT和PT之间的不同过会儿以使用条件和图的形式解释"
1•工作电压是多少?
使得阻断IGBT的最高电压应该不大于Vces的80%
2.它是破开关还是软开关?
因为他们拖尾电流较小,所以PT更适合于软开关,但NPT也可工作于软开关。
3.流过它的电流是多大?
前两数宇给出一个可用的电流的大概的指标。
在硬开关应用中,频率■电流曲线将有助于决定该器件是否适合该应用,数据表中的测试条件和实际应用中的不同应该被考虑在内。
使用的示例将稍后给出。
在软开关应用中.应该将上2作为起始点。
4.希望的开关速度是多少?
如果答案是越快趣好的话,那么PT就是最好的选择。
另外,召硬开关应用中频率■电流曲线将有助于解决这个问题。
5.短路能力能达到要求么?
在类似于电机驱动的应用中,答案是肯定的,而
且此时开关频率相对较低■,NPT是达到妾求的。
开关电源一般不要求短路能力。
图1N-沟道IGBT横断面
—个N-沟道的IGBT是在N-沟道功率MOSFET基础上构造出一个p类型衬底。
象图1中所显示的一般的IGBT横断面那样。
(PTIGBT是另外加了一层屮)。
结果上,IGBT的工作特性和功率MOSFET是卜分类似的。
发射极和门极的正电压使得电子能在体区中向门极流动。
如果门极-发射极电压等于或大于阀电压,那么将有足够多的电子穿过截面聚集到门极形成导通沟道.使得电流从集电极流到发射极(精诵的说,足允许电子从发射极流到续电极)。
而电子的流动使得正离子(空穴)从P类型的衬底向发射极方向进入漂流区。
这使得IGBT的等效电路如图2。
图2IGBI等效电路
第一个电路表示是在一个达林顿构造中用一个N-沟道的功率MOSFET来驱动一个PNP双极型晶体管。
第二个电路简单的表示为一个二极管和一个N-沟道的功率MOSFET串联。
大概看一下・IGBT自身的导通压降是一个二极管的压隆加上一个N-沟道的功率MOSFET的压降。
而实际上IGBT的导通压降总是至少等于一个二极管的压隆。
然而,和功率MOSFET相比,在相同体积,相同温度和电流下,IGBT有较低的导通压降。
原因是因为MOSFET的主妾载流子只有一种.象N-沟道的MOSFET的载流子只有电子。
就象前面所提到的,在N沟道的IGRT中p类型的衬底将空穴注入到漂移区。
因此,IGBT的电流是由电子和空穴构成的。
空穴{少子)的注入显著的减少了漂移区的阻抗,增加了电导。
所以,IGBT与功率MOSFET相比最大的优点就是减少了导通压降
天下没有免费的午餐,低导通压隆的代价是隆低了开关速度.尤其是关断时间。
这是囚为在关断时电子突然停止流动是通过门极和发射极的电压小干阀值电压来实现的。
但是,空穴在漂移区中,是没有办法将它们移走的,除了电压梯度和空穴的車新复合。
IGBT在关断时有一个拖尾电流,直到所有的空穴被移走或复合。
复合率是可以控制的.即n+耗尽层的目的.如图1。
耗尽层在关断时快速的吸收空穴。
并不足所有的IGBT都有輕耗尽层,含有的称之为PT,不含有的称之为NPT.PTIGBT-般被归结为不对称型,NPTIGBT—般被归结为对称型。
另一个代价是当IGBT不在数据表所规定的范围內工作时会发生擎住效应°它是一种错误模式,此时IGBT不再能门极关断了。
当任何IGBT被误用时都有可能发生擎住效应。
因而,它可以解释一些问题
基本的IGBT类似于一个晶体管,称之为PNPN结。
这个可以通过分析更详细的电路模型来解释,如图3。
图3类似于晶休管的IGBT模型在所有的N沟道的MOSFET和N沟道的IGBT中都存在一个寄生的NPN。
晶体管的基极是IGBT中的体区,为防止它开通,用发射极将PN结短路。
要注意的是,模块中含有一些称之为扩展电阻的阻抗,如图3。
IGBT中PNP部分是由P型衬底,漂移区和体区构成。
PNPN构造形成了寄生的晶体管。
如果寄生NPN晶体管开通,并且NPN和PNP增益的之和大于1,就会产生擎住效应。
攀住效应可以通过对IGBT设计来避免,如优化杂质层.改变不同区域的几何形式。
NPN和PNP的增益之和被设畫成小于1。
当温度增加的时候,PNP和NPN的增益和体区扩展电阻也随之増加。
非常高的集电极电流能提供足够的压降使得NPN管开通,管芯内额外的热量会增加寄生晶休管的增益使其增益之和大于E如果这个怙况发生,寄生晶体管就擎住,IGBT就不能通过门极关断,并且可能因为过流而损坏。
这是静态擎住效应。
关断时较高的dv/dt和过多的集电极电流也能导致増益的増加和NPN管的开通’这是动态的擎住效应,它限制了安全工作区域的大小.因为它发生时的集电极电流比静态擎住效应时的低很多’同时它还取决于关断时的电压变化率。
如果不考虑关断时的dv/dt,则只要IGBTT作在最大电流和安全工作区范围内,静态和动态的爭住效应就不会发生。
可以通过对门极阴抗的调节来决定开通关断时的电压变化率,过冲和振荡"
NPT和PT技术:
导通损耗:
当开关速度给定时,NPT技术的VCE(0N)-般高于PT技术。
因为NPT的Vce
9N)是随着温度的增加而增加的(正温度系数),PT的Vce(on)是随着温度的増加而减少的(负温度系数)所以这个差别就更大了。
但是,对于任何IGBT,无论是PT还是NPT.开关损耗和Vce(on;c高速的IGBT的g(ON)高,低速的IGBT的VCE(on)低。
实际上,一个十分高速的PT的心(on)是有可能比有低速开关的NPT的Vce(on)高。
开关损耗:
当VCE(on)给定时,PTIGBT方较高的开关速度和较低的开关能耗。
这是因为较高的增益和少数载流子的寿命的减少减小了拖尾电流。
可靠性:
NPT有很典型的短路能力,而PT—般没有。
NPT比PT能吸收更多的雪崩能最,NPT更加可靠,因为它有较宽的基极和较低的卩NP管的增益。
这是通过对开关速度的折中所带来的主要的优点。
PTIGBT的Vces很难大于600V.而NPT却很容易达到的。
APT提供了一系列非常快速的1200V的PTIGBT,第七代MOStIGBT系列。
温度的影响:
对于PT和NPT的IGBT.开通时开关速度和开关损耗实际上是不受温度影响的,二极管的反向恢复电流是随着温度的增加而増加的。
在功率电路中受温度影响的外部二极管将影响IGBT的开通损耗。
对于NPTIGBT,关断速度和开关损耗在温度变化范围内是相对不变的。
对于
PTIGBT关断速度和开关损耗结果上是随着温度的升高而升高的。
但是,拖尾电流的减少其开关损耗也随之减少。
就象前面所提到的,典型的NPTIGBT具有正的温度系数.这使得它们适合与并联.因为一个较热的元件比一个较冷的元件能流过更少的电流。
所以所有的仪器很自然的就能起分流的作用。
通常的误解是PTIGBT因为它们是负温度系数而不能被并联:
,PTIGBT能并联的原因如下:
1-它们的温度系数接近于零,并且当流过较高的电流时温度系数右时会变成正的。
2.通过散热器,热量的均分能强迫器件的分流,囚为热的器件会给相邻的器件加热,这样就降低了它们的导通压降。
3•受温度系数影响的参数在器件中被很好的匹配
APT的IGBF:
APT提供了三种IGBT.它们覆盖了应用中的大部分范围:
第七代功率MOS管系列:
600V和1200VPT技术的IGBT,在编号中为“GP",是市场上最快的IGBT,是专
门为高频(与/或)对拖尾电流很敏感的应用(如软开关)所设计的
雷电系列:
600V仅使用NPT技术的IGBT,编号为“GT”,在硬开关应用中频率能达到
150KH乙,抗短路能力强,适合用于开关电源和电机驱动"
快速系列:
600V,1200V使用NPT技术的IGBT,编号为PF",抗短路能力强,导通压隆低,适合于低于100KHZ的硬开关的应用中,如,电机驱动。
APT的第七代功率管是唯一的有极快的开关速度和合并了一个金属的门极和开放单元式的构造。
这样的结果是有了极其低的EGR(equivalentgateresistance,EGR)典型值是一个欧姆。
比门极用多晶硅的器件的匚GR要低一到两个数量级,低的EGR能加快开关速度和降低开关损耗,合并了一个金属的门极和开放单元式的构造可以产生极其均匀,快速激励的门极,这种结构可减少开关瞬态过程中发热点,从而增加可靠性,开放单元结构也可增加对于生产过程中所产生的缺点的容忍度。
数据表排版:
由API提供的数据表的目的是给功率电路的设计者门提供一些有用和方便的相关信息,包括在某个应用中针对某个情况的合适的器件的选取。
图耒能帮助设计者门从一个工作条件下的设定推出其它的。
但是测试结果是与其电路有关的,尤其是依赖于集电极和发射极杂散电感,门极驱动电路的设计以及布板,所以不同的测试电路有不同的测试结果。
下列的排版提供了APT数据表的定义和关于IGBT性能的详细介绍。
最大额定值:
VCES-CollectoEmitterVoltage
这是当门极和发射极短路时集电极和发射极之间的最大电压。
这是最大的额定.它取决于温度,实际上允许的最大集电极和发射极电压要小于'/ces。
见静态电气性能中的B%es的描述,
VGE-Gate-EmitterVoltage
Vge是门极和发射极之间连续的最大电压。
它的目的是防止门极氧化物被击穿和限制短路电流。
实际上,门极氧化物的击穿电压是明显高于这个’在任何时候,只要工件电压低于这个额定电压就能保证应用的可靠性。
VGEM-GateFmitterVolrageTransient
"ge同是门极和发射极之间的最大脉冲电压。
他的目的是防止门极氧化物被击
门极的瞬态过程不仅可以通过门极驱动信号,还可以通过在门驱动电路中的杂散电感和门极-集电极之间的电容引发的。
如果门极的振荡幅度大于Vqem,那么电路中的杂散电感需要被适当的减少,(与/或)门极阻抗需要被増加来减小开关速度。
除了功率电路的布板,门极驱动电路的布板也是重要的,合理的布板可减小有效门极驱动回路面积以及杂散电感。
如果使用了齐纳管,我们建议把它连接到门极驱动和门极电阻之间,而不是直
接接到门极上。
负的门极驱动不是必须的,但是可以被用于实现最大的开关速度.因为可以避免由于电压变化而引起的误开通-如果想获得更多的关于门极驱动的信息,请见APT930乙
lei.'c2—连续的集电极电流:
leilC2是在结点温度最大时管芯中连续的最大直流电流。
它们是以结点到外売
的热阻值以及外壳的温度为基础的.详见如下:
这个式子简要的说明了可以消耗的最大热■.T^~TC.等于由导通损耗产
^flJC
生的最大允许的热*Ic这里不包含开关损耗。
I_~Tc
当然Vce(on)取决于Ic(还有结温)除了相对较低的电流.VCE(°n)和。
的关系是近似线性的,如图5。
图5Vce(on;和Ic的近似线性关系
VCE(cn的曲线是在高温下做出的曲线,Vce⑹的弯曲部分是处于温度上升阶段,(为了计算数据表中的数值’考虑到不同器件之间的差异,APT使用了最大的vCE(
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