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  • 解析什么是IGBT中的閂鎖效應
    • 發布時間:2022-04-12 17:40:13
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    解析什么是IGBT中的閂鎖效應
    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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能兩方面的優點。閂鎖會使IGBT失去柵控能力,器件無法自行關斷,甚至會將IGBT永久性燒毀。
    IGBT應用領域
    IGBT的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。
    閂鎖(Lanch-up)效應,一般我們也可以稱之為擎住效應,是由于IGBT超安全工作區域而導致的電流不可控現象,當然,閂鎖效應更多的是決定于IGBT芯片本身的構造。實際工作中我們可能很少聽到一種失效率,閂鎖失效,今天我們就來聊一聊什么是閂鎖效應。
    一般我們認為IGBT的理想等效電路如下圖所示:
    IGBT 閂鎖效應
    上圖直觀地顯示了IGBT的組成,是對PNP雙極型晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。
    故在G-E之間外加正向電壓使MOS管導通時,PNP晶體管的基極-集電極之間就連上了低電阻,從而使PNP晶體管處于導通狀態。
    此后,使G-E之間的電壓為零或者負壓時,首先MOS管處于斷路狀態,PNP晶體管的基極電流被切斷,從而使IGBT關斷。所以,IGBT和MOS一樣,都是電壓控制型器件。
    閂鎖效應的產生是在哪里?
    其實IGBT的實際等效電路與上面我們講到的理想等效電路略有不同,還需要考慮其內部寄生的電容,如下圖:
    IGBT 閂鎖效應
    從上圖我們可以看出,實際等效電路是由可控硅和MOS構成的。內部存在一個寄生的可控硅,在NPN晶體管的基極和發射極之間并有一個體區擴展電阻Rs,P型體內的橫向空穴電流會在Rs上產生一定的電壓降,對于NPN基極來說,相當于一個正向偏置電壓。
    在規定的集電極電流范圍內,這個正偏電壓不會很大,對于NPN晶體管起不了什么作用。當集電極電流增大到一定程度時,該正向電壓則會大到足以使NPN晶體管開通,進而使得NPN和PNP晶體管處于飽和狀態。
    此時,寄生晶閘管導通,門極則會失去其原本的控制作用,形成自鎖現象,這就是我們所說的閂鎖效應,也就是擎住效應,準確的應該說是靜態擎住效應。IGBT發生擎住效應后,集電極的電流增大,產生過高的功耗,從而導致器件失效。
    動態擎住效應主要是在器件高速關斷時電流下降太快(di/dt大),dv/dt很大,引起的較大位移電流,流過Rs,產生足以使NPN晶體管導通的正向偏置電壓,造成寄生晶閘管的自鎖。
    在IGBT中,在有過電流流過時,我們通過控制門極來阻斷過電流,從而進行保護。但是,一旦可控硅觸發,由于可控硅不會由于門極的阻斷信號等而進行自動消弧,因此此時的IGBT不可能關斷,最終導致IGBT因過電流而損壞。
    那么我們可以怎么樣來防止或者說是減小擎住效應呢?
    一般有以下幾種技術:
    采用難以產生擎住效應的構造,也就是減小體區擴展電阻Rs。
    通過優化n緩沖層的厚度和摻雜來控制PNP晶體管的hFE。
    通過導入降低壽命的手段來控制PNP晶體管的hFE。
    所以,關于IGBT的實際應用,我們是不允許其超安全工作區域的,針對這個,我們采用了很多保護手段。所以,每個元器件,有的時候我們考慮的只是我們需要觀察的,但是其背后的故事則會告訴我們,為什么我們應該這樣去考量。
    從原材料到成品IGBT,這個過程經歷了太多環節,每個環節都很重要,這才有了滿足我們需求的各類元器件。
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