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因为最近工作中比较多的涉及到IGBT,所以今天我们来聊一聊IGBT的设计的相关要点,当然只是从我们比较关心的几点出发,概括性地来说一说。而没有深入到物理参杂等方面,希望可以对你们有所帮助。
IGBT基本结构和原理

每次讲到IGBT,都会先对它进行一个简单的介绍。IGBT是一个复合器件,由一个MOSFET和一个PNP三极管组成;当然,也可以看成一个VDMOS和一个PN二极管的组成。基本结构如下图:

等效电路如下:

1、IGBT的静态参数

常规IGBT只有正向阻断能力,由PNP晶体管的集电结承担,而其反向的电压承受能力只有几十伏,因为PNP晶体管的发射结处没有任何终端和表面造型。IGBT在通态情况下,除了有一个二极管的门槛电压(0.7V左右)以外,其输出特性与VDMOS的完全一样。下图是IGBT的正反向直流特性曲线:

IGBT的主要静态参数:

①阻断电压V(BR)CES—器件在正向阻断状态下的耐压

②通态压降VCE(on)—器件在导通状态下的电压降

③阈值电压VGE(th)—器件从阻断状态到导通状态所需施加的栅极电压VG

2、IGBT的开关特性

IGBT的开关机理与VDMOS完全一样,由MOS栅来控制其开通和关断。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,这就是所谓的电导调制效应。这一效应使得IGBT在相同的耐压下的通态压降比VDMOS的低。由于在漂移区内空穴的存在,在IGBT关断时,这些空穴必须从漂移区内消失,与VDMOS的多子器件相比,IGBT双极器件的关断需要更长的时间

各个厂家对于Eon和Eoff的起始标准可能有所差异,对比时,最好进行统一,当然最好能够进行实际的实验对比,这样较为科学和可靠。

IGBT的主要开关参数:

①开通时间 (td(on)+tr) —器件从阻断状态到开通状态所需要的时间

②关断时间 (td(off)+tf) —器件从开通状态到阻断状态所需要的时间

③开通能量(Eon)—器件在开通时的能量损耗

④关断能量(Eoff)—器件在关断时的能量损耗



设计中的关键参数

对于一个功率半导体器件而言,关键是器件的长期工作可靠性,而影响可靠性关键的因素就是器件的功率损耗。这一点对大功率高频器件尤为重要。当然,功耗越小,则器件的可靠性就越高。IGBT的功率损耗主要体现在其反向阻断状态、导通状态及开关状态,而影响上述三个状态损耗的主要参数如下。

1、阻断电压

IGBT处于阻断状态时,希望在承受额定阻断电压时,器件的漏电流越小越好。这样,器件在阻断状态下的功率损耗越小。

影响阻断电压的因素有下面几点:

①漂移区的电阻率的增加,耐压增加

②漂移区的厚度的增加,耐压增加

③栅极宽度的增加,耐压减少

④终端结构

2、通态压降

IGBT的通态压降VCE(on) 由下面的电阻构成:

Ron = RCS + RN+ + RCH+ RA+ RJ + RD+ RSUB+ RCD

VCE(on) =Ron * Ic

对高压IGBT而言,主要影响VCE(on)的电阻是RJ和RD,即JFET区域的电阻和N-漂移区内的电阻。 因此,如何尽量降低RJ和RD是大功率IGBT设计中应重点考虑的。我们提到的沟槽栅结构和场阻断结构就是为了减少RJ和RD

通态压降VCE(on)的大小决定着器件耗散功率的大小,之前我们也有提到过:

Ptot=(Tj-Tc)/Rthjc=VCE(on)*Ic

Rthjc为结壳热阻

3、开关损耗

IGBT的开关损耗主要时由开关能量和开关的频率fsw决定的,即

Psw=Esw+fsw

Esw=Eon+Eoff

IGBT的Eon和Eoff主要取决于栅电阻RG,栅源间电容CGE和栅漏间电容CGC,及IGBT中PNP三极管的增益αPNP。降低RG、CGE和CGC可以同时降低Eon和Eoff ,但是,要注意,发射效率γPNP对开通能量和关断能量的影响是相反的,即αPNP 大,开通时间短,但关断时间长。因此,在设计上要给于折中的考虑。在高频应用中,往往希望IGBT的关断时间要短,这样,在一般IGBT的设计中往往尽可能地减少αPNP。这也是为什么在PT-IGBT中要采用n型缓冲层和在NPT-IGBT中要尽可能降低P发射区浓度和厚度的原因。另外,降低αPNP,也有利于抑制IGBT的latch-up效应(擎住效应)。

4、电容

前面我们也给出过更加详细的寄生电容分布图,IGBT中应该注意下面三个主要的电容:

输入电容:Ciss=CGE+CGC

输出电容:Coss=CCE+CGC

反向传输电容(米勒电容):Crss=CGC

在设计中,要尽量使米勒电容越小越好,米勒电容越小,器件的开通和关断过程就越短。另外,在半桥线路中,如果米勒电容越大,则越容易引起直通现象(米勒效应)。

Ciss 、Coss 和Crss 影响器件的开通和关断时间以及开通和关断延迟时间,进而影响器件的开关损耗。所以我们要充分考虑电容的协调性。

5、频率特性

影响IGBT的频率特性的主要因素如下:

①通态损耗和开关损耗越低,则器件的工作频率就越高

②散热特性越好,热阻越小,则频率就越高

③工作电流越大,则频率越低

④器件耐压越高,则频率越低

⑤栅极电阻越小,则频率越高

⑥器件输入电容越小,则频率越高

⑦环境温度越高,则频率越低

当然,频率的影响因素之中有些本身就是相互影响的,所以需要综合考虑主要的因素,寻求一个平衡。



结构设计

1、有源区结构

常用的IGBT的有源区的原胞几何结构主要分为:条形、方形和正六边形对通态压降而言,正六边形最小(Ron最小),条形最大(Ron最大);对抗闭锁能力而言,条形最强 (Rb最小),正六边形最弱(Rb最大);而且,条形原胞可以获得较好的耐压和通态压降之间的协调关系。如下图所示:

有源区的设计主要要考虑两个值:栅源长度和(LG+LE)和栅源长度比(LG/LE)。

原胞的栅长度LG与栅源长度和(LG+LE)的比例越小,米勒电容Crss就越小;原胞的栅源长度比(LG/LE)越大,通态压降越小,耐压越低,短路电流越大。并且,多晶栅的长度LG越宽,JFET区域的压降越小,通态压降就越小。

2、栅极结构

栅极主要有两种:平面栅和沟槽栅,结构图如下:

平面栅

沟槽栅

槽栅的优点:通态压降减小,与平面栅相比,减小了约30%左右;电流密度大。

沟槽栅的缺点:沟槽工艺复杂;短路能力低;栅电容大,约为平面栅的3倍。


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