电力电子半导体器件(IGBT).pptx
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电力电子半导体器件(IGBT)PPT课件
由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关 断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿， 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采 取措施使IGBT进行“慢速关断”。
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第32页/共43页
大。如图：
第21页/共43页
3．门极电阻RG的影响： 当门极电阻RG增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能
耗和关断能损也增加。 但RG减小时， IGBT的电流上升率di/dt增大，会引起IGBT的误导通，同时RG
电阻的损耗也增加。 一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。
IGBT是在功率MOSFET的基础 上发展起来的，两者结构十分类似， 不同之处是IGBT多一个P+层发射 极，可形成PN结J1，并由此引出漏 极；门极和源极与MOSFET相类 似。
第2页/共43页
1．分类： 按缓冲区有无分为：
①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT； 由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。
第23页/共43页
二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
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大。如图：
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3．门极电阻RG的影响： 当门极电阻RG增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能
耗和关断能损也增加。 但RG减小时， IGBT的电流上升率di/dt增大，会引起IGBT的误导通，同时RG
电阻的损耗也增加。 一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。
IGBT是在功率MOSFET的基础 上发展起来的，两者结构十分类似， 不同之处是IGBT多一个P+层发射 极，可形成PN结J1，并由此引出漏 极；门极和源极与MOSFET相类 似。
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1．分类： 按缓冲区有无分为：
①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT； 由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。
第23页/共43页
二、驱动电路： 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相
同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。 注意： 1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。 2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号
IGBT ppt课件
较窄，高温
20KHZ以下 稳定性差
非穿通型 同质扩散＋离子注 高于雪崩击 较低
NPT
入
穿电压
稍高 较高
较宽，高温 稳定性好
场终止型
FS-NPT
(LPT,SP T类似）
与NPT类似，增加 扩散一N+缓冲层（ 其浓度低于PT中的 缓冲层）
低于雪崩击 穿电压
较低
较低， 较高
2V以 下
较宽，高温 稳定性好
7
IGBT几种常见类型：
穿通型
非穿通型
场终止型
8
9
3、按栅结构划分
平面栅（planar）
优点：承受短路能力较高； 栅极电容较小（约为沟槽栅 器件的三分之一）；
沟槽栅（Trench）
优点：单元面积较小，电流 密度较大，通态损耗降低约 30％；击穿电压更高；
10
4、按封装划分：
（1）单管分立器件：TO-220, TO-247, TO-MAX等；
15
➢ IGBT为“绝缘栅双极型晶体管”缩写，作为新一代功率半
导体器件，IGBT具有驱动容易、控制简单、开关频率高、 导通电压低、通态电流大、损耗小等优点，是自动控制和功 率变换的关键核心部件，被广泛应用在轨道交通装备行业、 电力系统、工业变频、风电、太阳能、电动汽车和家电产业 中，如在轨道交通领域，牵引传动系统是动车组、机车等装 备的核心部件，而IGBT又是牵引传动系统的核心部件，是 “核心中的核心”。
IGBT基本原理ppt课件
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
使 控 制 电 路 化 。 但 它 们 率小、驱动电
非常复杂
共 同 存 在 驱 路简单 ， 但是
动电流大、 导通电阻大，
功耗损失
不耐高压
;.
7
历史产品比较 产品
特点
SCR
功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、
;.
18
三 IGBT电气特性——动态特性
IGBT关断过程的电流随时间变化大体分为两个阶段: toff=tf1+tf2 第一个阶段MOS管导通电流的迅速降低阶段，即陡降阶段Ⅰ，下降时间为t f 1 ，
取决于IGBT内的PNP晶体管的电流放大系数。
第二个阶段是三极管电流缓慢减小到零的阶段，即与基区过剩载流子复合有 关的缓慢下降阶段（指数下降阶段Ⅱ），下降时间为tf2，下降时间主要取决 于N基区空穴流的复合速度,即N基区中少数空穴的寿命。
率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。 半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。 全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、
绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、静电感应晶闸管等。
电流驱动型:通过从控制端注入或者抽出电流来实现对器件的导通或者关断的控制。例如三极管BJT等。 电压型驱动:通过在控制端和公共端之间的电压信号来实现对器件导通或者关断的控制。例如IGBT等。
IGBT的芯片结构及失效模式ppt课件
损坏的原因一般有以下几种：
1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
B、过流失效
故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背 部的‘C’ 到绑定线部位的'E'.
IGBT芯片绑线点位置损坏严重
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，当 此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
IGBT内部结构及常见失效 模式
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
一、IGBT的结构
1.芯片结构和特征
2.IGBT芯片结构的变迁
平面型发展方向： 平面型→沟槽型→软沟槽型
垂直发展方向： 穿透→非穿透→场终止
图1.3 IGBT芯片发展历程
Trench-IGBT
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
Baidu Nhomakorabea
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点， 当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
1、输出短路或输出接地； 2、母线铜牌打火导致浪涌电流； 3、门极控制信号异常（有干扰源或者本身器件损坏）
B、过流失效
故障点集中于绑定线区域，因为短路电流流向是从背 部的‘C’ 到绑定线部位的'E'.
IGBT芯片绑线点位置损坏严重
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点，当 此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
IGBT内部结构及常见失效 模式
主要内容
一、IGBT的结构 二、IGBT常见的失效模式 三、Q&A
一、IGBT的结构
1.芯片结构和特征
2.IGBT芯片结构的变迁
平面型发展方向： 平面型→沟槽型→软沟槽型
垂直发展方向： 穿透→非穿透→场终止
图1.3 IGBT芯片发展历程
Trench-IGBT
③功率循环与热循环： 过大的温度变化 过频繁的温度变化
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
Baidu Nhomakorabea
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
IGBT芯片耐压环位置损坏严重
3.一些失效案例 A、过压失效
故障点靠近硅片边沿或传感器, 其电场较强。
综述：IGBT芯片铝线和芯片表面键合位置为绑线点， 当此位置出现类似现象时，可以判定为过电流损坏。
功率半导体IGBT简介演示
VS
详细描述
根据结构的不同，IGBT可以分为平板型 和注入增强型。平板型IGBT具有较低的 通态电压降和较高的开关速度，而注入增 强型IGBT则具有较低的关断时间和较高 的安全工作区。此外，根据电流容量的不 同，IGBT可以分为小型、中型和大功率 型，以满足不同应用场景的需求。另外， 按照关断速度的不同，IGBT可以分为快 速和慢速型，其中快速型IGBT具有更快 的开关速度和更高的工作频率。
全球市场规模
目前全球IGBT市场规模持续增长，随 着新能源、电动汽车等领域的快速发 展，市场规模还将进一步扩大。
应用领域
IGBT广泛应用于电动汽车、风电、光 伏、智能电网等领域，是实现能源转 换和控制的不可或缺的半导体器件。
区域分布
IGBT市场主要集中在欧洲、北美和亚 太地区，其中亚太地区增长最快，尤 其是中国市场。
电流的导通和收集。
模块制造工艺
01
02
03
04
芯片选择与排列
根据电路需求选择合适的芯片 ，并将其排列在模块的基板上
。
焊接与连接
通过焊接技术将芯片与基板连 接起来，并与其他元件进行电
气连接。
灌胶与密封
将模块灌封胶，以保护内部芯 片和其他元件免受外界环境的
影响。
测试与老化
对模块进行电气性能测试和老 化处理，以确保其稳定性和可
电力电子半导体器件介绍49页PPT
பைடு நூலகம் 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
电力电子半导体器件介绍
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
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①VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。
②VDS为正时：VG<VT，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。
VG>VT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，
在N-区产生电导调制，使器件正向导通。
③关断时拖尾时间： 在器件导通之后，若将门极电压突然减至 零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所 突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电 流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。
4．开关特性：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V的 IGBT约有2~5Ｖ的通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应的缘故。
（二）动态特性
平台：由于门源间流过驱动电流，门源 间呈二极管正向特性，VGS维持不变。
1．开通过程：
t d(on)：开通延迟时间 tri ： 电流上升时间 tfv1 ，tfv2 ：漏源电压下降时间 tfv1 ：MOSFET单独工作时的
二 、工作原理：
IGBT是在功率 MOSFET的基础上发展起 来的，两者结构十分类似， 不同之处是IGBT多一个 P+层发射极，可形成PN结 J1，并由此引出漏极；门 极和源极与MOSFET相类 似。
1．分类： 按缓冲区有无分为：
①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT； 由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间
短，关断时尾部电流小。 ②对称型IGBT：无缓冲区N+，非穿通型IGBT；
具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。 按沟道类型：
①N沟道IGBT ②P沟道IGBT
2．开通和关断原理：
IGBT的开通和关断是由门极 电压来控制的。门极施以正电压 时，MOSFET内形成沟道，并为 PNP晶体管提供基极电流，从而 使IGBT导通。在门极上施以负电 压时，MOSFET内的沟道消失， PNP晶体管的基极电流被切断， IGBT即为关断。
④锁定现象：由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由 于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电 流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件 就是晶闸管的触发导通条件： α1 +α2 =1
a. 静态锁定： IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定 发生在稳态电流密度超过某一数值时。
电压下降时间。
tfv2 ：MOSFET和PNP管同时 工作时的电压下降时间。随漏
源电压下降而延长；受PNP管
饱和过程影响。
2．关断过程：
t d(off) ：延迟时间
t rv ：VDS上升时间
t fi2 ：由PNP晶体管中 存储电荷决定，此时 MOSFET已关断， IGBT又无反向电压， 体内存储电荷很难迅 速消除，因此下降时 间较长，VDS较大，功 耗较大。一般无缓冲 区的，下降时间短。
第七章 绝缘栅双极晶体管 （IGBT)
§7.1 原理与特性
一、概述
IGBT—— Insulated Gate Bipolar Transistor
近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双 极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越， 具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承 受电流大等优点，因而发展很快．应用很广，已成为当前电力 半导体器件发展的重要方向。
b. 动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、 主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移 电流造成的。
c. 栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。
——采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。
由MOSFET决定
3．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。 ①漏极电流的开通时间和上升时间：
开通时间：ton= t d(on)+ tri 上升时间： tr = tfv1 + tfv2 ②漏极电流的关断时间和下降时间： 关断时间：toff = t d(off) + t rv 下降时间：tf = t fi1+ t fi2 ③反向恢复时间：trr
三、基本特性： （一）静态特性 1．伏安特性：
饱和区
放大区
击穿区
几十伏，无反向阻断能力
2．饱和电压特性：
IGBT的电流密度较大， 通态电压的温度系数在小 电流范围内为负。大电流 范围为正，其值大约为1.4 倍／100℃。
3．转移特性：
与功率MOSFET的转移特性 相同。当门源电压VGS小于开启 电压VT时，IGBT处于关断状态， 加在门源间的最高电压由流过漏 极的最大电流所限定。一般门源 电压最佳值15V。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏wenku.baidu.com电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域 中有取代前述全控型器件的趋势。
IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要 特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500— 600V，电流25A。
第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容 量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在 发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另 一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A， 4500V；命名为IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor)
②VDS为正时：VG<VT，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。
VG>VT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，
在N-区产生电导调制，使器件正向导通。
③关断时拖尾时间： 在器件导通之后，若将门极电压突然减至 零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所 突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电 流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。
4．开关特性：
与功率MOSFET相比，IGBT 通态压降要小得多，1000V的 IGBT约有2~5Ｖ的通态压降。这 是因为IGBT中N－漂移区存在电 导调制效应的缘故。
（二）动态特性
平台：由于门源间流过驱动电流，门源 间呈二极管正向特性，VGS维持不变。
1．开通过程：
t d(on)：开通延迟时间 tri ： 电流上升时间 tfv1 ，tfv2 ：漏源电压下降时间 tfv1 ：MOSFET单独工作时的
二 、工作原理：
IGBT是在功率 MOSFET的基础上发展起 来的，两者结构十分类似， 不同之处是IGBT多一个 P+层发射极，可形成PN结 J1，并由此引出漏极；门 极和源极与MOSFET相类 似。
1．分类： 按缓冲区有无分为：
①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT； 由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间
短，关断时尾部电流小。 ②对称型IGBT：无缓冲区N+，非穿通型IGBT；
具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。 按沟道类型：
①N沟道IGBT ②P沟道IGBT
2．开通和关断原理：
IGBT的开通和关断是由门极 电压来控制的。门极施以正电压 时，MOSFET内形成沟道，并为 PNP晶体管提供基极电流，从而 使IGBT导通。在门极上施以负电 压时，MOSFET内的沟道消失， PNP晶体管的基极电流被切断， IGBT即为关断。
④锁定现象：由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由 于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电 流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件 就是晶闸管的触发导通条件： α1 +α2 =1
a. 静态锁定： IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定 发生在稳态电流密度超过某一数值时。
电压下降时间。
tfv2 ：MOSFET和PNP管同时 工作时的电压下降时间。随漏
源电压下降而延长；受PNP管
饱和过程影响。
2．关断过程：
t d(off) ：延迟时间
t rv ：VDS上升时间
t fi2 ：由PNP晶体管中 存储电荷决定，此时 MOSFET已关断， IGBT又无反向电压， 体内存储电荷很难迅 速消除，因此下降时 间较长，VDS较大，功 耗较大。一般无缓冲 区的，下降时间短。
第七章 绝缘栅双极晶体管 （IGBT)
§7.1 原理与特性
一、概述
IGBT—— Insulated Gate Bipolar Transistor
近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双 极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越， 具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承 受电流大等优点，因而发展很快．应用很广，已成为当前电力 半导体器件发展的重要方向。
b. 动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、 主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移 电流造成的。
c. 栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或 后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。
——采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。
由MOSFET决定
3．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。 ①漏极电流的开通时间和上升时间：
开通时间：ton= t d(on)+ tri 上升时间： tr = tfv1 + tfv2 ②漏极电流的关断时间和下降时间： 关断时间：toff = t d(off) + t rv 下降时间：tf = t fi1+ t fi2 ③反向恢复时间：trr
三、基本特性： （一）静态特性 1．伏安特性：
饱和区
放大区
击穿区
几十伏，无反向阻断能力
2．饱和电压特性：
IGBT的电流密度较大， 通态电压的温度系数在小 电流范围内为负。大电流 范围为正，其值大约为1.4 倍／100℃。
3．转移特性：
与功率MOSFET的转移特性 相同。当门源电压VGS小于开启 电压VT时，IGBT处于关断状态， 加在门源间的最高电压由流过漏 极的最大电流所限定。一般门源 电压最佳值15V。
4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：
5．开关损耗与温度和漏wenku.baidu.com电流关系
（三）擎住效应
IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个 寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶 体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上， P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加 一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大， NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏 量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极 失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。 漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。
其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域 中有取代前述全控型器件的趋势。
IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要 特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500— 600V，电流25A。
第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容 量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在 发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另 一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A， 4500V；命名为IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor)