绝缘栅双极晶体管的设计要点.pdf

第44卷第]期
电力电子技术
2010年1月
January, 2010
绝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,江苏常州213022
摘要:介绍了绝缘栅双极晶体管(IGBT)的基本结构和工作原理:讨论了.ICBT各关键参数和结构设计中需要考虑的
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可靠性的关键因素。
关键词:绝缘栅双极晶体管;关键参数:结构设计;可靠性
中图分类号:TN6
文献标识码:A
文章编号:1000-100X(2010)01-0001-03
The Key Design Points of Insulated Gate Bipolar Transistor
ZHANG Jing-chao, ZHAO Shan-qi, LIU Li-feng, WANG Xiao-bao
(Macmic Science Technology Co, Ltd. Changzhou 213022, China)
Abstract: The basie structure and operation mechanism of insulated gate bipolar transistor(GBT)are inlroduced. The key
electrical characteristics are discussed, as well as the key factors which should be considered when designing an IG BT The
Keywords: insulated gate bipolar transistor; Key characteristics; structure design; relia/*analvzed
trade-offs between different characters of an IGBT and the influences on its reliability are also
1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已Vea比 VDMOS的低。由于漂移区内存在空穴,当
广泛应用于エ业、信息新能源、医学、交通、军事和IGBT关断时,空穴的消失需要一定的时间。因此,
航空领域。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叫。
日前市场上IGBT器件的耐压高达6.5kV,单管
0%icici
电流高达200A,频率达到300kHz。在高频大功率
领域,目前尚无任何其他器件可以代替它。下面着重
VCL-IS, 4HR CES I'I
分析讨论ICBT器件的设计要点。
I droit tr
2IGBT的基本结构、静态特性和开关特性
(a)lGBT』、反向直流待
由图1a可以看出,IGBT由一个 MOSFET和
tho+,为开通时间; lr st+t为关断时间
个PNP三极管组成,亦可视为由一个 VDMOS和
E。为开通能量损耗;E为关断能量损耗
Vws为阻断电;vers为通态压降;Vn为栅极阈值电压
个PN二极管组成,图1b是 IGBT的等效电路。
图2ICBT器件的正、反向直流特性和开关特性
M(上:
3IGBT设计中的关键参数
Lsc》???s
(1)反向阻断电压在阻断状态下,IGBT承受
额定阻断电斥,此时希望器件的漏电流尽量小,以使
PiN竖
collector
器件功率损耗也尽量小。图3示出漂移区电阻率
a)1GBT本结构C
、漂移区厚度W、棚极宽度ん对耐压的影响?。
图1IGBT原胞基本结构和器件等效电路
常规IGBT只具备正向阻断能力,由PNP晶体管
ロ.N1=1.1×104cn
90u11
725で
o.Nか=5×103cmi
1.5o!pi=150-m
的集电结承担,因PNP晶体管发射结处无任何终端
△.Mい=3×10
?pi=200pm)
和表面造型,故其反向电压承受能力仅有儿十伏。
「+
r=25
Vem=5x0. cm
图2给出IGBT器件的正、反向直流特性和开关特性
0.30.40.60.8].2
曲线。ICBT在通态情况下,除其二极管具有约0.7V
(a)与課移区电率的关系(b)討与源移扱博度的关东
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
ols 1g Hi
△,=17u
开通和关断,所不同的是ICBT比 VDMOS在漏柲多
+h6;=i6t
了ー个pn结,在导通过程中有少子空穴的参与,即
054a12橱核长度
M=5×103cm3
0.20.40.60.8
定稿日期:2009-11-20
1%.i: V
C)时'极宽度的关系
作者简介:张景超(1974-),男,河北景县人,工程师,研究方
图3影响ICBT器件耐压的主要因素
向为功率半导体器件
(2)通态压降由Va=Ral可知,V受导