IGBT模块的构造与特征

　　元件的构造与特征：IGBT的构造和功率MOSFET的对比如图所示。IGBT是通过在功率MOSFET的漏极上追加p+层而构成的，从而具有以下种种特征。

　　众所周知，功率MOSFET是通过在门极上外加正电压，使p基极层形成沟道，从而进入导通状态的。此时，由于n发射极（源极）层和n基极层以沟道为媒介而导通，MOSFET的漏极—源极之间形成了单一的半导体（如图1-1中的n型）。它的电特性也就成了单纯的电阻。该电阻越低，通态电压也就变得越低。但是，在MOSFET进行耐高压化的同时，n基极层需要加厚，（n基极层的作用是在阻断状态下，维持漏极—源极之间所外加的电压。因此，需要维持的电压越高，该层就越厚。）元件的耐压性能越高，漏极—源极之间的电阻也就增加。正因为如此，高耐压的功率MOSFET的通态电阻变大，无法使大量的电流顺利通过，因此实现大容量化非常困难。
　　针对这一点，IGBT中由于追加了p+层，所以从漏极方面来看，它与n基极层之间构成了pn二极管。因为这个二极管的作用，n基极得到电导率调制，从而使通态电阻减小到几乎可以忽略的值。因此，IGBT与MOSFET相比，能更容易地实现大容量化。
　　理想的等效电路，IGBT是PNP双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片级联型Bi-MOS晶体管。此外，IGBT与双极型晶体管的芯片和功率MOSFET的芯片共同组合成的混合级联型Bi-MOS晶体管的区别就在于功率MOSFET部的通态电阻。在IGBT中功率MOSFET部的通态电阻变得其微小，再考虑到芯片间需要布线这一点，IGBT比混合级联型Bi-MOS晶体管优越。
　　1、电压控制型元件
　　IGBT的理想等效电路，正如图所示，是对pnp双极型晶体管和功率MOSFET进行达林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。
　　因此，在门极—发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，pnp晶体管的基极—集电极间就连接上了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通状态。
　　此后，使门极—发射极之间的电压为0V时，首先功率MOSFET处于断路状态，pnp晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。
　　如上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和关断动作。

　　2、耐高压、大容量
　　IGBT和功率MOSFET同样，虽然在门极上外加正电压即可导通，但是由于通过在漏极上追加p+层，在导通状态下从p+层向n基极注入空穴，从而引发传导性能的转变，因此它与功率MOSFET相比，可以得到极低的通态电阻。

　　◆ IGBT模块的特性
　　下面以6MBI100UB-120（1200V/100A元件、第五代IGBT模块）为例，对说明书等记载的关于IGBT的种种特性进行说明。
　　1、静态特性
　　以U系列的IGBT：6MBI100UB-120为例，用图1、图2表示VCE-IC（一般称为输出特性）的VGE依存性。因为该特性表示IGBT在导通状态下下降电压（VCE）和电流（IC）间的关系，所以形成了在导通状态下IGBT中发生的损耗。然而，虽然VCE越低，发生的损耗越小，但是由于该特性是根据温度（Tj）和VGE的变化而随之变化的，因此，请在充分考虑该特性的前提下进行装置的设计。

　　一般情况，推荐在VGE=15V、装置中发生的最大输出电流≦元件的IC额定电流值的情况下使用。再者，图3是将图1中的数据转化成VCE-VGE特性的IC依存性的曲线图。可以从中看出VCE（损耗）急剧增加到极限时VGE的大体标准值。

　　2、交换特性
　　由于IGBT一般用于起交换作用的用途，因此充分理解开通和关断时的交换特性非常重要。另外，由于该特性随各种参数而变化，因此也有必要在考虑该特性的前提下进行装置的设计。该交换特性可以大致分为交换时间和交换损耗两方面。
　　首先，图5、表2（动态特性项目）对交换时间进行了定义。有ton、tr、tr（i）、toff、tf、trr、Irr七个项目。该特性可以通过图4所示的斩波电路测定。
　　图6、图7、图16表示了交换时间和集电极电流的关系，图8表示了交换时间和门极电阻的关系。由于这样的交换时间随集电极电流、温度（Tj）、门极电阻RG的变化而变化，设计装置的时候希望作充分考虑。比如说，在交换时间（特别是toff）变长的条件（RG较大等）下使用，可能出现由于空载时间不足而引发串联支路短路（即：在一头的IGBT关断前，另一头的IGBT已经导通，从而流过过大的电流的不良情况。）等不良情况，从而导致元件遭到破坏。另外，也可能在tr过短的条件下（由于RG过小等原因）使用的话，相反，瞬态的电流变化（DIC/dt）变大，由于电路中的电感（Ls）而产生的尖峰电压（=Ls×dIc/dt）超出了RBSOA范围而导致元件遭到破坏，需要充分注意。
　　另一方面，交换损耗（Eon、Eoff、Err）是在IGBT交换时（开通、关断时）发生的。该特性正如图9、图10所示靠温度（Tj）、IC、RG而变化。其中特别是对RG的选定非常重要，如果过大，不但交换损耗变大，而且容易引起前面所述的由于空载时间不足而产生的串联支路短路。

　　反之，在为了使交换损耗降到最低而将RG变小时，有可能出现前面所述的激烈的尖峰电压（=Ls×dIc/dt）的问题。从这里看出，对于选定RG，主电路的电感（Ls）非常重要。由于该数值越低，关于选定RG的探讨就变得越容易（即使RG小，尖峰电压也不容易出现），因此推荐大家尽量将Ls的值设计得小一些。

　　3、电容特性
　　图11表示门极充电电量（Qg）的特性。该特性表示了相对于门极充电电量（Qg），集电极-发射极间的电压（VCE）和门极-发射极间的电压（VGE）变化。由于“Qg增加”表示“IGBT的G-E间的电容中有电荷被充入”，一旦Qg充电，VGE（=Qg/C-E间电容）上升，IGBT即开通。当IGBT开通时，VCE也随之下降到通态电压。如上所述的门极充电电量Qg表示了驱动IGBT所需的电荷量。请在决定驱动电路电源电容时充分利用该特性。
　　图12表示IGBT的各结电容的特性。如图13所表示，Cies是指门极-发射极间的输入电容，Coes是指集电极-发射极间的输出电容，Cres是指集电极-门极间的反向传输电容。在设计驱动电路时，请使用上述特性和Qg特性。
　　4、安全操作区（RBSOA、SCSOA）
　　IGBT关断时，安全工作的VCE-IC的工作范围称为反向偏压安全操作区（RBSOA:ReverseBiasSafeOperationArea），即图14中所表示的范围。在设计缓冲电路时要保证使关断时VCE-IC的工作轨迹全部容纳在该RBSOA区域内。
　　该RBSOA分为通常交换工作时（实线、往返）和大电流（短路）时（虚线、非往返）的两种区域。为方便起见，将实线中的区域称为RBSOA，虚线中的区域称为SCSOA（ShortCircuitSafeOperationArea）。由于SCSOA区域在集电极电流变大时有变窄的倾向，需要加以注意。
　　5、内置二极管（FWD）特性
　　在IGBT模块中，高速二极管（下称：FWD：FreeWheelingDiode）与IGBT反并列连接，内置于模块中。该FWD具有图15所示的VF-IF特性和图16所示的反向恢复特性（trr、Irr）、以及图9、图10所示的反向恢复工作时交换损耗（Err）特性。这些特性和IGBT同样，用于计算FWD间发生的损耗。另外，由于FWD的特性随集电极电流、温度、RG等因素变化，需要加以注意。

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