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  • 解析什么是IGBT中的闩锁效应
    • 发布时间:2022-04-12 17:40:13
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    解析什么是IGBT中的闩锁效应
    IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能两方面的优点。闩锁会使IGBT失去栅控能力,器件无法自行关断,甚至会将IGBT永久性烧毁。
    IGBT应用领域
    IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。
    闩锁(Lanch-up)效应,一般我们也可以称之为擎住效应,是由于IGBT超安全工作区域而导致的电流不可控现象,当然,闩锁效应更多的是决定于IGBT芯片本身的构造。实际工作中我们可能很少听到一种失效率,闩锁失效,今天我们就来聊一聊什么是闩锁效应。
    一般我们认为IGBT的理想等效电路如下图所示:
    IGBT 闩锁效应
    上图直观地显示了IGBT的组成,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。
    故在G-E之间外加正向电压使MOS管导通时,PNP晶体管的基极-集电极之间就连上了低电阻,从而使PNP晶体管处于导通状态。
    此后,使G-E之间的电压为零或者负压时,首先MOS管处于断路状态,PNP晶体管的基极电流被切断,从而使IGBT关断。所以,IGBT和MOS一样,都是电压控制型器件。
    闩锁效应的产生是在哪里?
    其实IGBT的实际等效电路与上面我们讲到的理想等效电路略有不同,还需要考虑其内部寄生的电容,如下图:
    IGBT 闩锁效应
    从上图我们可以看出,实际等效电路是由可控硅和MOS构成的。内部存在一个寄生的可控硅,在NPN晶体管的基极和发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs,P型体内的横向空穴电流会在Rs上产生一定的电压降,对于NPN基极来说,相当于一个正向偏置电压。
    在规定的集电极电流范围内,这个正偏电压不会很大,对于NPN晶体管起不了什么作用。当集电极电流增大到一定程度时,该正向电压则会大到足以使NPN晶体管开通,进而使得NPN和PNP晶体管处于饱和状态。
    此时,寄生晶闸管导通,门极则会失去其原本的控制作用,形成自锁现象,这就是我们所说的闩锁效应,也就是擎住效应,准确的应该说是静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后,集电极的电流增大,产生过高的功耗,从而导致器件失效。
    动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快(di/dt大),dv/dt很大,引起的较大位移电流,流过Rs,产生足以使NPN晶体管导通的正向偏置电压,造成寄生晶闸管的自锁。
    在IGBT中,在有过电流流过时,我们通过控制门极来阻断过电流,从而进行保护。但是,一旦可控硅触发,由于可控硅不会由于门极的阻断信号等而进行自动消弧,因此此时的IGBT不可能关断,最终导致IGBT因过电流而损坏。
    那么我们可以怎么样来防止或者说是减小擎住效应呢?
    一般有以下几种技术:
    采用难以产生擎住效应的构造,也就是减小体区扩展电阻Rs。
    通过优化n缓冲层的厚度和掺杂来控制PNP晶体管的hFE。
    通过导入降低寿命的手段来控制PNP晶体管的hFE。
    所以,关于IGBT的实际应用,我们是不允许其超安全工作区域的,针对这个,我们采用了很多保护手段。所以,每个元器件,有的时候我们考虑的只是我们需要观察的,但是其背后的故事则会告诉我们,为什么我们应该这样去考量。
    从原材料到成品IGBT,这个过程经历了太多环节,每个环节都很重要,这才有了满足我们需求的各类元器件。
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