IGBT設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素分析

IGBT設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素簡(jiǎn)析

因?yàn)樽罱ぷ髦斜容^多的涉及到IGBT，所以今天我們來聊一聊IGBT的設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，當(dāng)然只是從我們比較關(guān)心的幾點(diǎn)出發(fā)，概括性地來說一說。而沒有深入到物理參雜等方面，希望可以對(duì)你們有所幫助。

IGBT基本結(jié)構(gòu)和原理

每次講到IGBT，都會(huì)先對(duì)它進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。IGBT是一個(gè)復(fù)合器件，由一個(gè)MOSFET和一個(gè)PNP三極管組成；當(dāng)然，也可以看成一個(gè)VDMOS和一個(gè)PN二極管的組成?；窘Y(jié)構(gòu)如下圖：

等效電路如下：

1、IGBT的靜態(tài)參數(shù)

常規(guī)IGBT只有正向阻斷能力，由PNP晶體管的集電結(jié)承擔(dān)，而其反向的電壓承受能力只有幾十伏，因?yàn)镻NP晶體管的發(fā)射結(jié)處沒有任何終端和表面造型。IGBT在通態(tài)情況下，除了有一個(gè)二極管的門檻電壓（0.7V左右）以外，其輸出特性與VDMOS的完全一樣。下圖是IGBT的正反向直流特性曲線：

IGBT的主要靜態(tài)參數(shù)：

①阻斷電壓V(BR)CES—器件在正向阻斷狀態(tài)下的耐壓

②通態(tài)壓降VCE(on)—器件在導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降

③閾值電壓VGE(th)—器件從阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)所需施加的柵極電壓VG

2、IGBT的開關(guān)特性

IGBT的開關(guān)機(jī)理與VDMOS完全一樣，由MOS柵來控制其開通和關(guān)斷。所不同的是IGBT比VDMOS在漏極多了一個(gè)PN結(jié)，在導(dǎo)通過程中有少子空穴的參與，這就是所謂的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。這一效應(yīng)使得IGBT在相同的耐壓下的通態(tài)壓降比VDMOS的低。由于在漂移區(qū)內(nèi)空穴的存在，在IGBT關(guān)斷時(shí)，這些空穴必須從漂移區(qū)內(nèi)消失，與VDMOS的多子器件相比，IGBT雙極器件的關(guān)斷需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

各個(gè)廠家對(duì)于Eon和Eoff的起始標(biāo)準(zhǔn)可能有所差異，對(duì)比時(shí)，最好進(jìn)行統(tǒng)一，當(dāng)然最好能夠進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，這樣較為科學(xué)和可靠。

IGBT的主要開關(guān)參數(shù)：

①開通時(shí)間 (td(on)+tr) —器件從阻斷狀態(tài)到開通狀態(tài)所需要的時(shí)間

②關(guān)斷時(shí)間 (td(off)+tf) —器件從開通狀態(tài)到阻斷狀態(tài)所需要的時(shí)間

③開通能量(Eon)—器件在開通時(shí)的能量損耗

④關(guān)斷能量(Eoff)—器件在關(guān)斷時(shí)的能量損耗

設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于一個(gè)功率半導(dǎo)體器件而言，關(guān)鍵是器件的長(zhǎng)期工作可靠性，而影響可靠性關(guān)鍵的因素就是器件的功率損耗。這一點(diǎn)對(duì)大功率高頻器件尤為重要。當(dāng)然，功耗越小，則器件的可靠性就越高。IGBT的功率損耗主要體現(xiàn)在其反向阻斷狀態(tài)、導(dǎo)通狀態(tài)及開關(guān)狀態(tài)，而影響上述三個(gè)狀態(tài)損耗的主要參數(shù)如下。

1、阻斷電壓

IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí)，希望在承受額定阻斷電壓時(shí)，器件的漏電流越小越好。這樣，器件在阻斷狀態(tài)下的功率損耗越小。

影響阻斷電壓的因素有下面幾點(diǎn)：

①漂移區(qū)的電阻率的增加，耐壓增加

②漂移區(qū)的厚度的增加，耐壓增加

③柵極寬度的增加，耐壓減少

④終端結(jié)構(gòu)

2、通態(tài)壓降

IGBT的通態(tài)壓降VCE(on)由下面的電阻構(gòu)成：

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

VCE(on)=Ron* Ic

對(duì)高壓IGBT而言，主要影響VCE(on)的電阻是RJ和RD，即JFET區(qū)域的電阻和N-漂移區(qū)內(nèi)的電阻。 因此，如何盡量降低RJ和RD是大功率IGBT設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的。我們提到的溝槽柵結(jié)構(gòu)和場(chǎng)阻斷結(jié)構(gòu)就是為了減少RJ和RD。

通態(tài)壓降VCE(on)的大小決定著器件耗散功率的大小，之前我們也有提到過：

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

Rthjc為結(jié)殼熱阻

3、開關(guān)損耗

IGBT的開關(guān)損耗主要時(shí)由開關(guān)能量和開關(guān)的頻率fsw決定的，即

Psw=Esw+fsw

Esw=Eon+Eoff

IGBT的Eon和Eoff主要取決于柵電阻RG，柵源間電容CGE和柵漏間電容CGC，及IGBT中PNP三極管的增益αPNP。降低RG、CGE和CGC可以同時(shí)降低Eon和Eoff，但是，要注意，發(fā)射效率γPNP對(duì)開通能量和關(guān)斷能量的影響是相反的，即αPNP 大，開通時(shí)間短，但關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)。因此，在設(shè)計(jì)上要給于折中的考慮。在高頻應(yīng)用中，往往希望IGBT的關(guān)斷時(shí)間要短，這樣，在一般IGBT的設(shè)計(jì)中往往盡可能地減少αPNP。這也是為什么在PT-IGBT中要采用n型緩沖層和在NPT-IGBT中要盡可能降低P發(fā)射區(qū)濃度和厚度的原因。另外，降低αPNP，也有利于抑制IGBT的latch-up效應(yīng)（擎住效應(yīng)）。

4、電容

前面我們也給出過更加詳細(xì)的寄生電容分布圖，IGBT中應(yīng)該注意下面三個(gè)主要的電容：

輸入電容：Ciss=CGE+CGC

輸出電容：Coss=CCE+CGC

反向傳輸電容(米勒電容)：Crss=CGC

在設(shè)計(jì)中，要盡量使米勒電容越小越好，米勒電容越小，器件的開通和關(guān)斷過程就越短。另外，在半橋線路中，如果米勒電容越大，則越容易引起直通現(xiàn)象(米勒效應(yīng))。

Ciss 、Coss 和Crss 影響器件的開通和關(guān)斷時(shí)間以及開通和關(guān)斷延遲時(shí)間，進(jìn)而影響器件的開關(guān)損耗。所以我們要充分考慮電容的協(xié)調(diào)性。

5、頻率特性

影響IGBT的頻率特性的主要因素如下：

①通態(tài)損耗和開關(guān)損耗越低，則器件的工作頻率就越高

②散熱特性越好，熱阻越小，則頻率就越高

③工作電流越大，則頻率越低

④器件耐壓越高，則頻率越低

⑤柵極電阻越小，則頻率越高

⑥器件輸入電容越小，則頻率越高

⑦環(huán)境溫度越高，則頻率越低

當(dāng)然，頻率的影響因素之中有些本身就是相互影響的，所以需要綜合考慮主要的因素，尋求一個(gè)平衡。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、有源區(qū)結(jié)構(gòu)

常用的IGBT的有源區(qū)的原胞幾何結(jié)構(gòu)主要分為：條形、方形和正六邊形。對(duì)通態(tài)壓降而言，正六邊形最?。≧on最小），條形最大（Ron最大）；對(duì)抗閉鎖能力而言，條形最強(qiáng) （Rb最?。?，正六邊形最弱（Rb最大）；而且，條形原胞可以獲得較好的耐壓和通態(tài)壓降之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。如下圖所示：

有源區(qū)的設(shè)計(jì)主要要考慮兩個(gè)值：柵源長(zhǎng)度和(LG+LE)和柵源長(zhǎng)度比(LG/LE)。

原胞的柵長(zhǎng)度LG與柵源長(zhǎng)度和(LG+LE)的比例越小，米勒電容Crss就越??；原胞的柵源長(zhǎng)度比(LG/LE)越大，通態(tài)壓降越小，耐壓越低，短路電流越大。并且，多晶柵的長(zhǎng)度LG越寬，JFET區(qū)域的壓降越小，通態(tài)壓降就越小。

2、柵極結(jié)構(gòu)

柵極主要有兩種：平面柵和溝槽柵，結(jié)構(gòu)圖如下：

平面柵

溝槽柵

溝槽柵的優(yōu)點(diǎn)：通態(tài)壓降減小，與平面柵相比，減小了約30%左右；電流密度大。

溝槽柵的缺點(diǎn)：溝槽工藝復(fù)雜；短路能力低；柵電容大，約為平面柵的3倍。

3、終端設(shè)計(jì)

常見的功率半導(dǎo)體器件的終端有一下四種：場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，JTE（結(jié)終端擴(kuò)展）結(jié)構(gòu)和VLD（橫向變摻雜）結(jié)構(gòu)。對(duì)高壓IGBT器件，用的最多的，容易實(shí)現(xiàn)的終端結(jié)構(gòu)是場(chǎng)限環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，也有的設(shè)計(jì)將上述方法結(jié)合起來。

終端設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題：

①PN結(jié)的曲率半徑要盡可能大；曲率半徑越大，承受電壓的能力

就越強(qiáng)

②實(shí)際環(huán)的寬度，取決于該環(huán)承受的電壓降及PN結(jié)P型區(qū)的濃

③實(shí)際環(huán)的間距，間距太小，則最后一個(gè)環(huán)承受的電壓降較高； 反之，則第一個(gè)環(huán)承受的電壓降較高

④環(huán)的表面電荷影響PN結(jié)表面的形狀，進(jìn)而影響該結(jié)承受電壓降

的能力。

下圖是場(chǎng)限環(huán)電場(chǎng)的分布：

4、縱向結(jié)構(gòu)

漂移區(qū)電場(chǎng)分布主要兩種：穿通型和非穿通型。

穿通型電場(chǎng)分布的結(jié)構(gòu)可以較好的實(shí)現(xiàn)耐壓與通態(tài)壓降之間的協(xié)調(diào)，而非穿通型電場(chǎng)分布的結(jié)構(gòu)，通態(tài)壓降往往較大，但其短路能力較強(qiáng)。

IGBT主要三種縱向結(jié)構(gòu)：PT穿通型、NPT型和FS場(chǎng)阻斷結(jié)構(gòu)。PT和FS屬于穿通型；NPT屬于非穿通型。

三種縱向結(jié)構(gòu)如下圖：

三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

PT穿通型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

①p+襯底，n外延漂移區(qū)

②電場(chǎng)穿透漂移區(qū)，到達(dá)n+緩沖層

③負(fù)溫度系數(shù)

④需要少子壽命控制技術(shù)

⑤材料成本較高

⑥不需要減薄工藝

NPT非穿通型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

①無外延層

②薄p發(fā)射區(qū)

③電場(chǎng)未穿透漂移區(qū)

④正溫度系數(shù)

⑤熱阻低

⑥不需要少子壽命控制技術(shù)

⑦材料成本低

⑧需要減薄工藝，但減薄后厚度較厚

FS場(chǎng)阻斷結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：

①無外延層

②薄p發(fā)射區(qū)

③電場(chǎng)穿透漂移區(qū)，到達(dá)n+場(chǎng)阻斷層

④正溫度系數(shù)

⑤拖尾電流小

⑥通態(tài)壓降小

⑦不需要少子壽命控制技術(shù)

⑧需要減薄工藝，但減薄后厚度較薄

IGBT是一個(gè)MOS控制的雙極器件。電場(chǎng)控制型器件的觸發(fā)電路簡(jiǎn)單，器件的開關(guān)損耗低；雙極器件由于少子的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，在高電壓時(shí)，可以獲得較低的通態(tài)壓降。因此，IGBT適用于大電流、高壓和高頻的應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮上文提到的因素，當(dāng)然還有其他一些文中沒提出的，比如可靠性的影響因素。

總之，在高頻大功率IGBT的設(shè)計(jì)中，必須要在減少器件靜態(tài)和開關(guān)功率損耗的基礎(chǔ)上，綜合考慮其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的各個(gè)參數(shù)，以及各個(gè)參數(shù)之間的協(xié)調(diào)性。