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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的性能参数

来源:艾特贸易2017-11-10

简介IGBT 在工作时,不能超过最大或最小额定参数值,同时这些额定参数值受控于工作条件和环境条件。 IGBT 的性能参数主要有: (1) 集-射阻断电压 UCES (B) :这个参数规定了在栅-射极短路条

    IGBT在工作时,不能超过最大或最小额定参数值,同时这些额定参数值受控于工作条件和环境条件。IGBT的性能参数主要有:

   (1)集-射阻断电压UCES (B):这个参数规定了在栅-射极短路条件下,最大集-射极断态电压。击穿值是由规定的漏电流值确定的,是正温度系数。

   (2)射-集极阻断电压UECS (B):这个参数规定了IGBTPNP晶体管的集-基结的反向击穿电压。

    (3)栅-射极电压(UCES):这个参数规定了在集-射极短路情况下,栅-射极所能允许施加的最大电压。栅极氧化层的厚度和特性决定了这个电压值。应把栅极电压限制在非常低的水平,以便限制集电极的故障电流。

   (4)连续集电极电流Ic:这个参数表示在指定壳温下,结温上升到最大值时的直流电流值。通常规定管壳温度为25℃,而最大结温为150℃。

   (5)可重复集电极峰值电流ICM:这个参数表示在瞬态条件下,IGBT所能承受的较大的峰值电流,它比最大连续电流要大。

   (6)最大功率损耗PD:这个参数表示的是壳温为25℃时,结温升高到最大结温150℃时的功率损耗。

   (7)结温(Ti):规定在工作条件下,所允许的IGBT结温的变化范围。

   (8)钳位感性负载电流(I1m):这个参数规定了,在带有钳位感性负载条件下IGBT能关断的最大可重复电流。在IGBT开通期间,和电感并联的续流二极管的反向恢复电流会增加IGBT的开通损耗。

   (9)-射极漏电流ICES:这个参数规定了在栅-射极短路时,施加额定电压和规定温度条件下的漏电流。

   (10)-射极阈值电压UCE(th):这个参数规定了可使IGBT开通而流过集电极电流的栅-射极电压的变化范围,这个阈值电压具有负温度系数。电压随栅极氧化层厚度成线性增加,而与P基区掺杂浓度的平方根成线性增加。在氧化层与硅界面的固定表面电荷和氧化层中的可移动离子都会改变阈值电压。

   (11)集一射极饱和电压UCE(SAT):这个参数规定了集一射极正向压降,且是集电极电流、栅极电压和温度的函数。减小MOSFET沟道和JFET区的电阻及提高PNP双极型晶体管的增益,可使通态压降降为最小。可以采用加大通道宽度、减小沟道长度、降低阈值电压和增加栅极长度来降低为PNP晶体管提供基极电流的IGBTMOSFET部分的压降。提高寿命,减少N区外延区厚度,则可增大漂移区的载流子注入及降低漂移区的压降。

   (12)正向跨导(gFE):正向跨导是在栅极电压的微小变化下测量出来的,使IGBT的集电极电流线性地增加到100A时的额定电流。IGBT的跨导在电流比反映热处理能力的电流要高得多时是降低的。与晶体管不一样,IGBT的电流处理能力是受热条件限制的,而不受增益的限制。所以在高温下,集电极电流较小时跨导开始降低。因此跨导的这些特性起到了在短路时保护IGBT的作用。

   (13)栅极总电荷(Qc):这个参数有助于设计合适的栅极驱动电路,以及近似计算它的损耗。因为器件特性原因,人们无法利用栅极电荷量来近似计算开关时间。该参数的变化是栅射极电压的函数。

   (14)开通延时时间td:定义为从栅极电压的10%开始,到集电极电流上升到其最终值的10%所用的时间。

   (15)上升时间tf:这个时间规定集电极电流从最终值的10%上升到它最终值的90%所用的时间。

   (16)关断延时时间td(off):从栅极电压90%开始到集电极电压上升到最终电压的10%所用的时间。

   (17)下降时间tf:这个时间规定集电极电流从初始值的90%降到10%时所用的时间。

   (18)输入电容Cies:集-射极短路条件下所测得的栅一射极电容。输入电容是栅-射极电容和密勒电容的总和。

   (19)-射极电容比密勒电容要大的多。

   (20)输出电容Cocs:栅-射极短路条件下集-射极之间的电容,它与典型的PN结电压有关。

   (21)反向转移电容Cres:栅-集极之间的密勒电容,具有复杂的电压依赖关系。

   (22)安全工作区(SOA)IGBT只要工作在安全区所确定的电流和电压边界之内就不会损坏。在低电流条件下,IGBT的最大电压受到基极开路下晶体管击穿电压的限制。在低电压条件下,寄生晶闸管的锁定效应限制了最大集电极电流。而IGBT不受静态锁定影响却易受动态锁定的影响而损坏,短路工作和感性负载转换是IGBT受到电压和电流双重应力的条件。

   (23)正偏置安全工作区(FBSOA)在感性负载转换的开通瞬变期间,器件在承受高压下又有电子和空穴电流通过IGBT

   (24)反偏置安全工作区(RBSOA)被定义为在关断瞬变期间,器件承受高压时,只有空穴电流通过IGBT。如果在高电压和大电流同时存在的时间足够长的情况下,就会因为热击穿而造成IGBT故障。可是,如果这个时间很短,那么功率损耗所产生的温升将不足以引起热击穿。这种条件下,雪崩击穿电压将发生在比器件击穿电压值还要低的电压下。与稳定正向阻断条件相比,漂移区中的大量电荷引起了更强的电场,并引起P基区和N漂移区结处耗尽层变窄。在RBSOA状态下,空间电荷区中没有电子,因此这种状态下的电场强度增加得比FBSOA状态下的更大。

    3-28给出了IGBT的安全工作区(SOA)。在开关时间较短的条件下,增加通态时间将导致短形SOA的缩小。热限制也是SOA变得更小的原因,直流工作条件设置了安全工作区的下限。在图中还给出了器件在硬开关(虚线)和零电流或零电压(实线)条件下的开关轨迹。两者相比,在硬开关工作模式下的轨迹变化范围比软开关工作模式下的更宽,因此硬开关工作模式要求有更宽的SOA。目前,IGBT主要是针对硬开关应用来进行优化。在软开关应用时,优化IGBT的导通损耗是以更小的SOA为代价的。在这种情况下,可以调整P基区的掺杂,使阀值电压大幅降低,从而也就降低了正向压降。可是在硬开关应用中,对SOA、正向压降和开关时间三者要求中,SOA的要求是占主导地位的。因此,P基区电阻应当减小,从而引起较高的阈值电压。其结果将增加沟道电阻和正向压降。

IGBT的安全工作区(SOA)

    3-28    IGBT的安全工作区(SOA)