一、IGBT概念
1.什么是IGBT
IGBT:IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
二、IGBT工作原理
IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。
如果正输入电压通过栅极,发射极保持驱动电路开启。另一方面,如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负,则会关闭电路应用。
由于IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管,因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。对于传统的 BJT,增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同,我们将其称为 Beta 并表示为 β。另一方面,对于 MOS管,没有输入电流,因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。
如下图所示,当集电极相对于发射极处于正电位时,N 沟道 IGBT 导通,而栅极相对于发射极也处于足够的正电位 (>V GET )。这种情况导致在栅极正下方形成反型层,从而形成沟道,并且电流开始从集电极流向发射极。IGBT 中的集电极电流Ic 由两个分量 Ie和 Ih 组成。Ie 是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih 是通过 Q1 和体电阻 Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此 尽管 Ih几乎可以忽略不计,因此 Ic ≈ Ie。在 IGBT 中观察到一种特殊现象,称为 IGBT 的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值(ICE)。在这种情况下,寄生晶闸管被锁定,栅极端子失去对集电极电流的控制,即使栅极电位降低到 VGET以下,IGBT 也无法关闭。现在要关断 IGBT,我们需要典型的换流电路,例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备,可能会损坏设备。
集电极电流公式下图很好地解释IGBT的工作原理,描述了 IGBT 的整个器件工作范围。
IGBT的工作原理图
IGBT 仅在栅极端子上有电压供应时工作,它是栅极电压,即VG。如上图所示,一旦存在栅极电压 ( VG ) ,栅极电流 ( IG ) 就会增加,然后它会增加栅极-发射极电压 ( VGE )。因此,栅极-发射极电压增加了集电极电流 ( IC )。因此,集电极电流 ( IC ) 降低了集电极到发射极电压 ( VCE )。
三、IGBT功率半导体器件主要测试参数
近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件,并得到越来越广泛的应用,那么IGBT的测试就变的尤为重要了。IGBT的测试包括静态参数测试、动态参数测试、功率循环、HTRB可靠性测试等,这些测试中最基本的测试就是静态参数测试。
IGBT静态参数主要包含:栅极-发射极阈值电压VGE(th)、栅极-发射极漏电流IGEs、集电极-发射极截止电流ICEs、集电极-发射极饱和电压VCE(sat)、续流二极管压降VF、输入电容Ciss、输出电容Coss、反向传输电容Crss。只有保证IGBT的静态参数没有问题的情况下,才进行像动态参数(开关时间、开关损耗、续流二极管的反向恢复)、功率循环、HTRB可靠性方面进行测试。
四、IGBT功率半导体器件测试难点
IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体 器件,兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点;同时IGBT芯片属于电力电子芯片,需要工作在大电流、 高电压、高频率的环境下,对芯片的可靠性要求较高。这给IGBT测试带来了一定的困难:
1、IGBT是多端口器件,需要多种仪表协同测试;
2、IGBT的漏电流越小越好,需要高精度的设备进行测试;
3、IGBT的电流输出能力很强,测试时需要快速注入1000A级电流,并完成压降的釆样;
4、IGBT耐压较高,一般从几千到一万伏不等,需要测量仪器具备高压输出和高压下nA级漏电流测试的能力;
5、由于IGBT工作在强电流下,自加热效应明显,严重时容易造成器件烧毁,需要提供μs级电流脉冲信号减少器件自加热效应;
6、输入输出电容对器件的开关性能影响很大,不同电压下器件等效结电容不同,C-V测试十分有必要。
五、测试总结
完成功率半导体器件的完整参数测试,包括IV,CV和Qg,支持在高低温条件下进行参数测试;
测试全自动化,B1506A将所有的接线切换通过开关矩阵实现,实现了测量的自动化,既能保证测试精度和重复性,同时极大的提升了测量速度;
可以建立Datasheet Characterization测试模板,测试结果可以输出测试数据、Datasheet报告和数据汇总等。
来源:功率半导体生态圈
审核编辑:汤梓红
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原文标题:IGBT工作原理及测试
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