绝缘栅双极晶体管的设计要点.pdf

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1、第44卷第1期电力电子技术Vo】．44．No．12010年1月PowerElectronicsJanuary．2010绝缘栅双极晶体管的设计要点张景超，赵善麒，刘利峰，王晓宝(江苏宏微科技有限公司，江苏常州I213022)摘要：介绍了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基本结构和工作原理；讨论rIGBT各关键参数和结构设汁中需要考虑的主要问题：分析了IGBT设计中需要协调的几对矛盾参数的关系以及影响IGBT可靠性的关键素。关键词：绝缘栅双极晶体管；关键参数；结构设计；呵靠性中图分类号：TN6文献标识码：A文章编号：1000—1oox(2olO)Ol一0001—03蔫TheKeyDesignPoint

2、sofInsulatedGateBipolarTransistorZHANGJing—chao，ZHAOShan—qi，LIULi—feng，WANGXiao—bao(MacMicScience&TechnologyCo．，Ltd．，Changzhou213022，China)Abstract：Thebasicstructureandoperationmechanismofinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)areintroduced．Thekeyelectricalcharacteristicsarediscussed，aswellasthekeyfact

3、orswhichshouldbeconsideredwhendesigninganIGBT．Thetrade—offsbetweendifferentcharactersofanIGBTandtheinfluencesonitsreliabilityarealsoanalyzed．Keywords：insulatedgatebipolartransistor；keycharacteristics；structuredesign；reliability1引言所谓的电导调制效应，因而在相同耐压下，IGBT的IGBT作为新型电力半导体器件的主要代表己比VDMOS的低。由于漂移区内存在空穴，当广泛应用

4、于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和IGBT关断时，空穴的消失需要一一定的时间。因此，航空领域I。随着半导体材料和加工工艺的不断进IGBT的关断时间比VDMOS的更长。步，IGBT的电流密度、耐压和频率不断得到提升t目前市场上IGBT器件的耐压高达6．5kV，单管芯电流高达200A，频率达到300kHz。在高频大功率■r，1领域，目前尚无任何其他器件可以代替它。下面着重分析讨论IGBT器件的设计要点。：厂＼j、07V‰，2IGBT的基本结构、静态特性和开关特性(a)lGBr、』×fljn：i特fb)I(jBI{r{l』}、Ir{￡)+￡为开通时问；ta(,Jr}+f为关断时间由图1a可以看

5、出．IGBT由一个MOSFET和一E为开通能黾损耗：E为关断能量损耗个PNP三极管组成．亦可视为由一个VDMOS和一为阻断电压；V为通态压降；V为栅极阂值电压个PN二极管组成．图1b是IGBT的等效电路图2IGBT器件的正、反向直流特性和丌关特性L3IGBT设计中的关键参数(1)反向阻断电压在阻断状态下，IGBT承受额定阻断电压，此时希望器件的漏电流尽量小．以使一TP_N祭流I器件功率损耗也尽量小图3示出漂移区电阻率1IGBT原胞基本结构乖Ⅱ器件等效电路常规IGBT只具备正向阻断能力．由PNP晶体管的集电结承担，因PNP晶体管发射结处无任何终端和表面造型，故其反向电压承受能力仅有几十伏图2给出

6、IGBT器件的正、反向直流特性和开关特性曲线。IGBT在通态情况下，除其二极管具有约0．7V的门槛电压外，其输出特性与VDMOS完全相同。IGBT与VDMOS完全一样，由MOS栅控制其开通和关断，所不同的是IGBT比VDMOS在漏极多了一个pn结，在导通过程中有少子空穴的参与，即／V×10定稿日期：2009一ll一20(c)耐雎栅极宽艘的爻系作者简介：张景超(1974一)，男，河北景县人，工程师，研究方图3影响IGBT器件耐压的丰要因素向为功率半导体器件：(2)通态压降由)=^可知，)受导1第44卷第1期电力电子技术Vo1．44，No．12010年1月PowerElectronicsJanua

7、ry，2010通电阻的影响，其中尺=岱+尺++Rc}l+尺A+RJ+尺D+决于n漂移区和P阱的面积，面积越小，C衄越小。UB+R。。图4示出IGBT导通电阻分布图。综上分析可知，Cc瞄和会影响器件的开Gate通和关断时问以及开通和关断延迟时间．进而影响器件的开关损耗。(5)IGBT的频率特性通态损耗和开关损耗越低，器件的工作频率越高；散热特性越好，热阻越小．频率越高；工作电流越大，频率越低；器件耐