IGBT工作原理及測試

一、IGBT工作原理

1.什么是IGBT

IGBT：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

二、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。對于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

如下圖所示，當(dāng)集電極相對于發(fā)射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導(dǎo)通，而柵極相對于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導(dǎo)致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。IGBT 中的集電極電流Ic 由兩個分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個閾值（ICE）。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關(guān)閉。現(xiàn)在要關(guān)斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況。如果不盡快關(guān)閉設(shè)備，可能會損壞設(shè)備。

集電極電流公式

下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應(yīng)時工作，它是柵極電壓，即VG。如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加?xùn)艠O-發(fā)射極電壓 ( VGE )。因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。

三、IGBT功率半導(dǎo)體器件主要測試參數(shù)

近年來IGBT成為電力電子領(lǐng)域中尤為矚目的電力電子器件,并得到越來越廣泛的應(yīng)用,那么IGBT的測試就變的尤為重要了。IGBT的測試包括靜態(tài)參數(shù)測試、動態(tài)參數(shù)測試、功率循環(huán)、HTRB可靠性測試等，這些測試中最基本的測試就是靜態(tài)參數(shù)測試。

IGBT靜態(tài)參數(shù)主要包含：柵極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)、柵極-發(fā)射極漏電流IGEs、集電極-發(fā)射極截止電流ICEs、集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)、續(xù)流二極管壓降VF、輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss。只有保證IGBT的靜態(tài)參數(shù)沒有問題的情況下，才進行像動態(tài)參數(shù)(開關(guān)時間、開關(guān)損耗、續(xù)流二極管的反向恢復(fù))、功率循環(huán)、HTRB可靠性方面進行測試。

四、IGBT功率半導(dǎo)體器件測試難點

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體 器件，兼有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點；同時IGBT芯片屬于電力電子芯片，需要工作在大電流、 高電壓、高頻率的環(huán)境下，對芯片的可靠性要求較高。這給IGBT測試帶來了一定的困難：

1、IGBT是多端口器件，需要多種儀表協(xié)同測試；

2、IGBT的漏電流越小越好，需要高精度的設(shè)備進行測試；

3、IGBT的電流輸出能力很強，測試時需要快速注入1000A級電流，并完成壓降的釆樣；

4、IGBT耐壓較高，一般從幾千到一萬伏不等，需要測量儀器具備高壓輸出和高壓下nA級漏電流測試的能力；

5、由于IGBT工作在強電流下，自加熱效應(yīng)明顯，嚴重時容易造成器件燒毀，需要提供μs級電流脈沖信號減少器件自加熱效應(yīng)；

6、輸入輸出電容對器件的開關(guān)性能影響很大，不同電壓下器件等效結(jié)電容不同，C-V測試十分有必要。

五、測試總結(jié)

完成功率半導(dǎo)體器件的完整參數(shù)測試，包括IV，CV和Qg，支持在高低溫條件下進行參數(shù)測試；

測試全自動化，B1506A將所有的接線切換通過開關(guān)矩陣實現(xiàn)，實現(xiàn)了測量的自動化，既能保證測試精度和重復(fù)性，同時極大的提升了測量速度；

可以建立Datasheet Characterization測試模板，測試結(jié)果可以輸出測試數(shù)據(jù)、Datasheet報告和數(shù)據(jù)匯總等。