現(xiàn)代功率模塊及器件應(yīng)用技術(shù)

引言

最近20年來(lái)，功率器件及其封裝技術(shù)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致了電力電子技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。當(dāng)今的市場(chǎng)要求電力電子裝置要具有寬廣的應(yīng)用范圍、量體裁衣的解決方案、集成化、智能化、更小的體積和重量、效率更高的芯片、更加優(yōu)質(zhì)價(jià)廉、更長(zhǎng)的壽命和更短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。在過(guò)去的數(shù)年中已有眾多的研發(fā)成果不斷提供新的、經(jīng)濟(jì)安全的解決方案，從而將功率模塊大量地引入到一系列的工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域中。

因此，有必要就功率模塊的應(yīng)用技術(shù)，如選型、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、冷卻、并聯(lián)和串聯(lián)以及軟開(kāi)關(guān)電路等，進(jìn)行一次全面的系列介紹。

1 IGBT和MOSFET功率模塊

1.1 應(yīng)用范圍

如圖1所示，當(dāng)前眾多的電力電子電路可由功率MOSFET或IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，它們先后出現(xiàn)于市場(chǎng)。與傳統(tǒng)的晶閘管相比，它們具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如可關(guān)斷的特性（包括在短路狀態(tài)下）、不需要緩沖網(wǎng)絡(luò)、控制單元簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、開(kāi)關(guān)損耗低等。

現(xiàn)在，電力電子技術(shù)不斷地滲透到新的應(yīng)用領(lǐng)域中，這首先歸功于IGBT和功率MOSFET的迅速發(fā)展。同時(shí)，它們的應(yīng)用在其現(xiàn)有的領(lǐng)域內(nèi)也在不斷地深化。數(shù)年前，高耐壓雙極型功率晶體管還被廣泛地應(yīng)用著。而現(xiàn)在只能在少數(shù)例外情況下發(fā)現(xiàn)它的蹤影，其位置已幾乎完全被IGBT所取代。

在電流達(dá)數(shù)十A或以上的應(yīng)用中，功率MOSFET及IGBT大多為含有硅芯片的絕緣式功率模塊。這些模塊含有一個(gè)或數(shù)個(gè)晶體管單元，以及和晶體管相匹配的二極管（續(xù)流二極管），某些情況下還含有無(wú)源元件和智能部分。

雖然功率模塊存在僅能單面冷卻的缺點(diǎn)，但它還是被廣泛地應(yīng)用于大功率電力電子技術(shù)中，與同期問(wèn)世的平板式IGBT/二極管器件一爭(zhēng)高低。盡管平板式器件在雙面冷卻的條件下可以多散發(fā)約30％的熱損耗，但功率模塊仍然受到用戶廣泛的歡迎。其原因除了安裝簡(jiǎn)易外，還在于模塊的芯片和散熱器之間的絕緣、其內(nèi)部多個(gè)不同元器件的可組合性、以及由于大批量生產(chǎn)而導(dǎo)致的低成本。

    在當(dāng)今的市場(chǎng)上，盡管各種有競(jìng)爭(zhēng)性的功率器件都在不斷地發(fā)展，但是IGBT模塊卻穩(wěn)穩(wěn)勝出，它的功率范圍也在不斷延伸。目前生產(chǎn)的IGBT模塊已具有了6?5kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻斷電壓。以此為基礎(chǔ)，MW級(jí)的、電壓至6kV的變流器（采用IGBT串聯(lián)的電路）已經(jīng)出現(xiàn)。

另一方面，MOSFET則被應(yīng)用于越來(lái)越高的頻率范圍。今天，使用合適的電路拓?fù)渑c封裝技術(shù)，已經(jīng)可以在500kHz以上實(shí)現(xiàn)較大的電流。

IGBT和MOSFET模塊已經(jīng)成為集成電子系統(tǒng)的基本器件，同時(shí)也正在成為集成機(jī)電系統(tǒng)的基本器件。

1.2 結(jié)構(gòu)和基本功能

下面所述的功率MOSFET和IGBT均指n溝道增強(qiáng)型，因?yàn)椋砹藰?gòu)成功率模塊的晶體管的主流。

    在一個(gè)正向的驅(qū)動(dòng)電壓作用下，一塊p導(dǎo)通型的硅材料會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)電的溝道。這時(shí)，導(dǎo)電的載流子為電子（多子）。在驅(qū)動(dòng)電壓消失后，該器件處于截止?fàn)顟B(tài)（自截止）。

在大多數(shù)情況下，人們采用圖2和圖4所示的垂直式結(jié)構(gòu)。在這里，柵極和源極（MOSFET）或發(fā)射極（IGBT）均位于芯片上表面，而芯片底面則構(gòu)成了漏極（MOSFET）或集電極（IGBT）。負(fù)載電流在溝道之外垂直通過(guò)芯片。

在圖2所示的功率MOSFET和圖4所示的IGBT具有平面式柵極結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，在導(dǎo)通狀態(tài)下，導(dǎo)電溝道是橫向的（水平的）。

平面柵極（在現(xiàn)代高密度晶體管中更發(fā)展為雙重?cái)U(kuò)散柵極）仍是目前功率MOSFET和IGBT中占統(tǒng)治地位的柵極結(jié)構(gòu)。

平面式MOSFET和IGBT結(jié)構(gòu)是從微電子技術(shù)移植而來(lái)的，其漏極或集電極由n＋（MOSFET）或p＋（IGBT）井區(qū)構(gòu)成，位于芯片表面。負(fù)載電流水平地流經(jīng)芯片。借助于一個(gè)氧化層，n區(qū)可以與襯底相互隔離，從而有可能將多個(gè)相互絕緣的MOSFET或IGBT與其他結(jié)構(gòu)一起集成于一個(gè)芯片之上。

由于平面式晶體管的電流密度僅能達(dá)到垂直式結(jié)構(gòu)的30％，因而明顯地需要更多的安裝面積，所以，它們主要被用在復(fù)雜的單芯片電路中。

    從構(gòu)造上來(lái)看，功率MOSFET（圖2）以及IGBT（圖4）由眾多的硅微單元組成。每cm2芯片上的單元數(shù)可達(dá)8.2×105（最新的耐壓為60V的MOSFET）以及1×105（高耐壓IGBT）。

圖2、圖4顯示了MOSFET和IGBT具有相似的控制區(qū)結(jié)構(gòu)。

n－區(qū)在截止?fàn)顟B(tài)下構(gòu)成空間電荷區(qū)。p導(dǎo)通井區(qū)被植入其內(nèi)，它在邊緣地帶的摻雜濃度較低（p－），而在中心地帶則較高（p＋）。

在這些井區(qū)里存在著層狀的n＋型硅，它們與源極端（MOSFET）或發(fā)射極端（IGBT）的金屬鋁表面相連。在這些n＋區(qū)之上，先是植入一層薄的SiO2絕緣層，然后再形成控制區(qū)（柵極），例如采用n＋型多晶硅材料。

當(dāng)一個(gè)足夠高的正向驅(qū)動(dòng)電壓被加在柵極和源極（MOSFET）或發(fā)射極（IGBT）之間時(shí)，在柵極下面的p區(qū)將會(huì)形成一個(gè)反型層的（n導(dǎo)通溝道）。經(jīng)由這個(gè)通道，電子可以從源極或發(fā)射極流向n－漂移區(qū)。

直至n－區(qū)為止，MOSFET和IGBT具有類似的結(jié)構(gòu)。它們出現(xiàn)在第三極區(qū)，從而決定了各自不同的性能。

    1.2.1 Power MOSFET

圖2清楚地顯示了一個(gè)n溝道增強(qiáng)型垂直式結(jié)構(gòu)的功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和功能。圖2中的柵極結(jié)構(gòu)為平面式。

在MOSFET中，上述的層狀結(jié)構(gòu)是在一塊n＋導(dǎo)通型的硅基片上采用外延生長(zhǎng)、植入、擴(kuò)散等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。硅基片的背面形成了漏極。

當(dāng)電壓在漏極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，流向漂移區(qū)的電子會(huì)被吸引至漏極，空間電荷會(huì)因此而縮小。同時(shí)，漏源電壓下降，主電流（漏極電流）得以流動(dòng)。

因?yàn)?，在漂移區(qū)內(nèi)形成電流的電子全部是多子，所以，在高阻的n－區(qū)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)兩種載流子的泛濫。因此，MOSFET是一個(gè)單極型器件。

在低耐壓的MOSFET器件中，微單元的電阻約占MOSFET的通態(tài)電阻的5％～30％。而對(duì)于高截止電壓的MOSFET來(lái)說(shuō)，其通態(tài)電阻的約95％由n－外延區(qū)的電阻所決定。

因此，通態(tài)壓降

VDS(on)=IDRDS(on)    （1）

式中：ID為漏極電流；

RDS(on)為通態(tài)電阻。

RDS(on)=kV(BR)DS    （2）

式中：k為材料常數(shù)，當(dāng)芯片面積為1cm2時(shí)，k=8.3×10－9A－1；

V（BR）DS為漏源正向擊穿電壓。

圖6

    對(duì)于現(xiàn)在市場(chǎng)上的MOSFET來(lái)說(shuō)，當(dāng)它的截止電壓大于200～400V時(shí)，其通態(tài)壓降的理論極限值總是大于同等大小的雙極型器件，而其電流承載能力則小于后者。

另一方面，僅僅由多子承擔(dān)的電荷運(yùn)輸沒(méi)有任何存儲(chǔ)效應(yīng)，因此，很容易實(shí)現(xiàn)極短的開(kāi)關(guān)時(shí)間。當(dāng)然，在芯片尺寸很大的器件中（高耐壓/大電流），其內(nèi)部電容充放電所需的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)相當(dāng)大，因?yàn)椋縞m2的芯片面積上的電容約0.3μF。

這些由MOSFET的物理結(jié)構(gòu)所決定的電容是其最重要的寄生參數(shù)。圖3表示了它們的起源和等效電路圖。表1解釋了圖3中各種寄生電容和電阻的起源和符號(hào)。

表1 MOSFET的寄生電容及電阻

1.2.2 IGBT

圖4清楚地顯示了一個(gè)n溝道增強(qiáng)型垂直式IGBT的結(jié)構(gòu)和功能。圖中的IGBT具有非穿通式NPT（Non Punch Through）結(jié)構(gòu)，柵極為平面式。

和MOSFET有所不同，在IGBT的n區(qū)之下有一個(gè)p＋導(dǎo)通區(qū)，它通向集電極。

流經(jīng)n－漂移區(qū)的電子在進(jìn)入p＋區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正電荷載流子（空穴）由p＋區(qū)注入n－區(qū)。這些被注入的空穴既從漂移區(qū)流向發(fā)射極端的p區(qū)，也經(jīng)由MOS溝道及n井區(qū)橫向流入發(fā)射極。因此，在n－漂移區(qū)內(nèi)，構(gòu)成主電流（集電極電流）的載流子出現(xiàn)了過(guò)盈現(xiàn)象。這一載流子的增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致了空間電荷區(qū)的縮小以及集電極－發(fā)射極電壓的降低。

盡管同MOSFET的純電阻導(dǎo)通特性相比，IGBT還需加上集電極端pn結(jié)的開(kāi)啟電壓，但對(duì)于高截止電壓的IGBT器件來(lái)說(shuō)（從大約400V起），因?yàn)?，高阻的n－區(qū)出現(xiàn)了少子增強(qiáng)效應(yīng)，所以，器件的導(dǎo)通壓降仍比MOSFET要低。這樣，在相同的芯片面積上，IGBT可以設(shè)計(jì)的電流比MOSFET更大。

另一方面，在關(guān)斷期間和隨后產(chǎn)生的集電極電壓的上升過(guò)程中，還來(lái)不及被釋放的大部分p存儲(chǔ)電荷Qs必須在n－區(qū)內(nèi)被再?gòu)?fù)合。Qs在負(fù)載電流較小時(shí)幾乎呈線性增長(zhǎng)，而在額定電流以及過(guò)電流區(qū)域則由以下指數(shù)關(guān)系所決定：

存儲(chǔ)電荷的增強(qiáng)與耗散引發(fā)了開(kāi)關(guān)損耗、延遲時(shí)間（存儲(chǔ)時(shí)間）、以及在關(guān)斷時(shí)還會(huì)引發(fā)集電極拖尾電流。

目前，除了圖4所顯示的非穿通結(jié)構(gòu)之外，穿通型結(jié)構(gòu)（PT=Punch Through）的IGBT也得到了應(yīng)用。最初的IGBT就是基于后者而形成的。

兩種結(jié)構(gòu)的基本區(qū)別在于，在PT型IGBT的n－和p＋區(qū)之間存在一個(gè)高擴(kuò)散濃度的n＋層（緩沖層）。另外，兩者的制造工藝也不同。

在PT型IGBT中，n＋和n－層一般是在一塊p型基片上外延生長(zhǎng)而成。而NPT型IGBT的基本材料是一塊弱擴(kuò)散的n型薄硅片，在其背面植入了集電極端的p＋區(qū)。兩種IGBT的頂部結(jié)構(gòu)相同，均為平面式的MOS控制區(qū)。

圖5比較了兩種IGBT的構(gòu)造及其正向截止?fàn)顟B(tài)下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。

對(duì)于一個(gè)PT型IGBT或者IGET（E：外延生長(zhǎng)式結(jié)構(gòu)Epitaxial structure）來(lái)說(shuō)，在正向截止?fàn)顟B(tài)下，空間電荷區(qū)覆蓋了整個(gè)n－區(qū)。為了使生長(zhǎng)層即使在高截止電壓下還是盡可能的薄，在n－漂移區(qū)的結(jié)尾處，其電場(chǎng)強(qiáng)度需要用高擴(kuò)散濃度的n＋緩沖層來(lái)減弱。

反之，對(duì)于NPT型IGBT或IGHT（H：同質(zhì)式結(jié)構(gòu)Homogenous structure）來(lái)說(shuō)，它的n－漂移區(qū)具有足夠的厚度，以至于可以吸收在正向截止?fàn)顟B(tài)下最大截止電壓的場(chǎng)強(qiáng)。因此，在允許的工作范圍內(nèi)，電場(chǎng)延伸至整個(gè)n－區(qū)之外的現(xiàn)象（穿通）是不會(huì)發(fā)生的。

為了進(jìn)一步描述IGBT的功能以及PT和NPT型器件的不同特性，有必要來(lái)觀察由IGBT結(jié)構(gòu)而導(dǎo)出的等效電路〔圖6（b）〕。類似于圖3，可得到圖6中所示的寄生電容和電阻的起源與符號(hào)，如表2所列。

表2 IGBT的寄生電容及電阻

撇開(kāi)器件內(nèi)部的電容和電阻不談，IGBT的等效電路含有同樣存在于MOSFET結(jié)構(gòu)中的理想MOSFET，以及一個(gè)寄生npn晶體管，即n＋發(fā)射區(qū)（發(fā)射極）/p＋井區(qū)（基極）/n漂移區(qū)（集電極）。在這個(gè)寄生結(jié)構(gòu)里，位于發(fā)射極之下的p＋井區(qū)的電阻被視為基極－發(fā)射極電阻RW。此外，下列區(qū)域組合構(gòu)成了一個(gè)pnp晶體管，即p＋集電極區(qū)（發(fā)射極）/n－漂移區(qū)（基極）/p＋井區(qū)（集電極）。這個(gè)pnp晶體管與上面的npn晶體管一起構(gòu)成了一個(gè)晶閘管結(jié)構(gòu)。

這一寄生晶閘管的鎖定效應(yīng)（Latch up）可能會(huì)出現(xiàn)于導(dǎo)通狀態(tài)（前提是某臨界電流密度被超過(guò)，該臨界值隨芯片溫度的增加而減?。部梢栽陉P(guān)斷時(shí)發(fā)生（動(dòng)態(tài)鎖定，由比通態(tài)運(yùn)行時(shí)更高的空穴電流所引起）。后者發(fā)生的條件是式（3）被滿足

M(αnpn＋αnpn)=1（3）

式中：M為乘法系數(shù)；

αpnp，αnpn=αTγE，為單只晶體管的共基極電流增益，

αT為基極傳輸系數(shù)；

γE為發(fā)射極效率。

鎖定的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致IGBT失控，直至損壞。

對(duì)于當(dāng)代的IGBT，采用下述的設(shè)計(jì)措施，可以在所有允許的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下有效地防止鎖定效應(yīng)的出現(xiàn)。例如，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，在關(guān)斷時(shí)動(dòng)態(tài)鎖定所需的電流密度可達(dá)額定電流的15倍之多。

圖7

    為此，晶體管的基極－發(fā)射極電阻可以通過(guò)下列措施減到如此的小，以至于在任何允許的運(yùn)行狀態(tài)下，都不可能達(dá)到該npn晶體管的基極－發(fā)射極二極管的開(kāi)啟電壓。這些措施是，

1）增強(qiáng)直接在n發(fā)射極下p＋井區(qū)的擴(kuò)散濃度；

2）縮短n發(fā)射極的尺寸。

此外，通過(guò)調(diào)節(jié)pnp晶體管的電流放大倍數(shù)，使其空穴電流（npn晶體管的基極電流）被維持得盡可能小。當(dāng)然，在這里需要兼顧開(kāi)關(guān)特性、耐沖擊性，以及通態(tài)特性，達(dá)到一個(gè)較好的折衷。后者也在某種程度上被pnp晶體管的設(shè)計(jì)所決定。

這一折衷方案在PT型和NPT型IGBT中有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。

在PT型IGBT中，從p＋區(qū)到n－漂移區(qū)的空穴注入效率（發(fā)射極效率）很高，原因是它的襯底相對(duì)來(lái)說(shuō)較厚。它的pnp電流放大系數(shù)只能通過(guò)調(diào)節(jié)基極傳輸系數(shù)（n－漂移區(qū)，n＋緩沖區(qū)）來(lái)降低。為此，n區(qū)的載流子壽命可以通過(guò)附加的再?gòu)?fù)合中心（例如，采用金元素?cái)U(kuò)散或電子輻射工藝）來(lái)降低。其空穴電流約占總電流的40％～45％。

NPT型IGBT則與之不同，其集電極端的p發(fā)射極區(qū)是通過(guò)植入方式而形成的，明顯地薄于PT型IGBT的襯底。因此，在生產(chǎn)硅片時(shí)，擴(kuò)散濃度在材料上的分布可以很容易地被精確調(diào)節(jié)。這一極薄的p＋層保證了pnp晶體管的發(fā)射極效率較低（γE=0.5），以至于再也沒(méi)有必要采用降低載流子壽命的方法來(lái)減小基極的傳輸系數(shù)。其空穴電流約占總電流的20％～25％。

同PT型IGBT相比，NPT型IGBT的發(fā)射極效率較小，載流子壽命較長(zhǎng)，且參數(shù)可以被更精確地控制。它的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）正向?qū)妷壕哂姓郎囟认禂?shù)（并聯(lián)時(shí)自動(dòng)地靜態(tài)均流）；

2）關(guān)斷時(shí)的拖尾電流較小，但部分情況下時(shí)間較長(zhǎng)，在Tj=125℃時(shí)關(guān)斷損耗較低，（在硬關(guān)斷時(shí)）開(kāi)關(guān)時(shí)間較短以及開(kāi)關(guān)損耗較低；

圖8

    3）開(kāi)關(guān)時(shí)間與開(kāi)關(guān)損耗（在Tj=125℃時(shí)）以及拖尾電流對(duì)溫度的依賴性明顯較低；

4）在過(guò)載時(shí)對(duì)電流的限制作用較好，因而具有較高的過(guò)載能力。

與PT型IGBT所采用的外延生長(zhǎng)式襯底相比，目前作為NPT型IGBT基本材料的同質(zhì)n－基片的生產(chǎn)更容易一些，前提是要具備處理極薄硅片的能力。

1.3 靜態(tài)特性

MOSFET和IGBT模塊的輸出特性如圖7所示。第一象限顯示模塊可以承受高截止電壓和關(guān)斷大電流。對(duì)于第一象限的阻斷特性來(lái)說(shuō)，更為精確一點(diǎn)的定義應(yīng)該是"阻斷狀態(tài)"（類似于晶閘管中的定義），但這一概念在晶體管中極少被用到。在下面，我們將使用正向截止?fàn)顟B(tài)或者（在不引起混淆的情況下）截止?fàn)顟B(tài)這個(gè)名稱。

通過(guò)控制極的作用，功率MOSFET和IGBT可以由正向截止?fàn)顟B(tài)（圖7中的工作點(diǎn)OP1）轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)（OP2）。在導(dǎo)通狀態(tài)下，器件可以通過(guò)負(fù)載電流。兩種狀態(tài)之間的主動(dòng)區(qū)域（放大區(qū)）在開(kāi)關(guān)過(guò)程中被越過(guò)。

不同于理想開(kāi)關(guān)，器件的正向截止電壓與通態(tài)電流均為有限值。在正向截止?fàn)顟B(tài)下存在一個(gè)殘余的漏電流（正向截止電流），它將在晶體管內(nèi)引起截止損耗。在導(dǎo)通狀態(tài)下，主電路端子之間存在著一個(gè)依賴于通態(tài)電流的殘余壓降，被稱為通態(tài)壓降，它將引起通態(tài)損耗。在靜態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)下（不是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中）的最大通態(tài)損耗在輸出特性中由表征通態(tài)損耗的雙曲線給出。

第三象限顯示模塊的反向特性，其條件是主電路端子之間被加上一個(gè)反向電壓。這一區(qū)域的特性由晶體管本身的性能（反向截止型，反向?qū)ㄐ停┘肮β誓K中的二極管特性（與晶體管串聯(lián)或反向并聯(lián)）所決定。

1.3.1 功率MOSFET

由上述的原理可以導(dǎo)出如圖8（a）所示的功率MOSFET的輸出特性。

1.3.1.1 正向截止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)外加一個(gè)正的漏源電壓VDS時(shí)，若柵源電壓VGS小于柵源開(kāi)啟電壓VGS(th)，則在漏源之間只有一個(gè)很小的漏電流IDSS在流動(dòng)。當(dāng)VDS增加時(shí)，IDSS也略有增加。當(dāng)VDS超過(guò)某一特定的最高允許值VDSS時(shí)，pin結(jié)（p＋井區(qū)/n－漂移區(qū)/n＋外延生長(zhǎng)層）會(huì)發(fā)生鎖定現(xiàn)象（鎖定電壓V(BR)DSS）。這一鎖定電壓在物理上大致對(duì)應(yīng)了MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生npn雙極晶體管的擊穿電壓VCER。該npn晶體管由n源區(qū)（發(fā)射極）－p＋井區(qū)（基極）－n－漂移區(qū)/n＋生長(zhǎng)層（集電極）構(gòu)成，如見(jiàn)圖3所示。

由集電極－基極二極管的鎖定現(xiàn)象所引起的電流放大效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致寄生雙極晶體管的導(dǎo)通，從而導(dǎo)致MOSFET的損壞。

值得慶幸的是，基極和發(fā)射極區(qū)幾乎被源極的金屬化結(jié)構(gòu)所短路，在兩區(qū)之間僅存在著p＋井區(qū)的橫向電阻。

應(yīng)用各種設(shè)計(jì)措施，如精細(xì)的MOSFET單元、均勻的單元布置、低阻的p＋井區(qū)、優(yōu)化的邊緣結(jié)構(gòu)以及嚴(yán)格統(tǒng)一的工藝，先進(jìn)的MOSFET已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)很小的單元鎖定電流。這樣一來(lái)，在嚴(yán)格遵守給定參數(shù)的情況下，寄生雙極晶體管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通現(xiàn)象基本上可以被防止。所以，對(duì)于這一類的MOSFET芯片，可以定義一個(gè)允許的鎖定能量EA，分別針對(duì)單個(gè)脈沖以及周期性的負(fù)載（鎖定能量由最高允許的芯片溫度所限定）。

在功率模塊由多個(gè)MOSFET芯片并聯(lián)而成的情況下，因?yàn)椴豢赡苋〉眯酒g絕對(duì)的均衡，所以僅允許使用單個(gè)芯片所能夠保證的EA最大值。

1.3.1.2 導(dǎo)通狀態(tài)

在漏源電壓VDS和漏極電流ID均為正的情況下，正向的導(dǎo)通狀態(tài)可分為兩個(gè)區(qū)域，如圖8（a）中第一象限所示。

1）主動(dòng)區(qū)域 當(dāng)柵源電壓僅略大于柵極開(kāi)啟電壓時(shí)，溝道內(nèi)電流的飽和作用將產(chǎn)生一個(gè)可觀的壓降（輸出特性的水平線）。此時(shí)，ID由VGS所控制。

在圖8（b）中，轉(zhuǎn)移特性可以借助正向轉(zhuǎn)移斜率gfs來(lái)描述。

gfs=dID/dVGS=ID/(VGS－VGS(th))（4）

在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)，正向轉(zhuǎn)移斜率隨著ID和源極電壓的增加而增加，并隨芯片溫度的增加而減小。

因?yàn)?，由多個(gè)MOSFET芯片并聯(lián)而成的功率模塊只允許在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，所以，主動(dòng)區(qū)域只是在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中被經(jīng)過(guò)。

一般來(lái)說(shuō)，制造商不允許此類模塊在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。原因是VGS(th)隨溫度的上升而下降，因此，單個(gè)芯片之間小小的制造偏差就有可能引起溫升失衡。

2）電阻性區(qū)域 在開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，如果ID僅僅由外電路所決定，就處于被稱為通態(tài)的阻性區(qū)域。此時(shí)的導(dǎo)通特性可以用通態(tài)電阻，即漏源電壓VDS和漏極電流ID之商來(lái)描述。在大信號(hào)區(qū)域內(nèi)，通態(tài)電壓遵守式（5）關(guān)系。

VDS(on)=RDS(on)ID（5）

RDS(on)依賴于柵源電壓VGS和芯片溫度。在MOSFET通常的工作溫度范圍內(nèi)，它從25℃～125℃時(shí)大約會(huì)增加一倍。

1.3.1.3 反向運(yùn)行

在反向運(yùn)行時(shí)（第三象限），如果VGS小于VGS（th)，則MOSFET會(huì)顯示出二極管特性如圖8（a）中的實(shí)線所示。這一特性由MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生二極管所引起。集電極－基極的pn結(jié)或源漏pn結(jié)（反向二極管的雙極型電流）的導(dǎo)通電壓分別決定了MOSFET在反向時(shí)的導(dǎo)通特性如圖9（a）所示。

這個(gè)雙極性反向二極管可以運(yùn)行到由MOSFET所給定的電流極限。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)反向二極管將導(dǎo)致：

1）較大的通態(tài)損耗，它與MOSFET本身的損耗一起，必須被散發(fā)出去；

2）在MOSFET作為硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)具有較差的關(guān)斷特性，從而限制了MOSFET的應(yīng)用范圍。

如圖9（b）所示，原則上只要柵源電壓大于柵極開(kāi)啟電壓，即使漏源電壓為負(fù)值，MOSFET的溝道也可以受控至導(dǎo)通狀態(tài)。

如果此時(shí)的柵源電壓保持在反向二極管的開(kāi)啟電壓之下（例如，通過(guò)并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管），則漏源之間的反向電流就只是單極性的電子電流（多子電流）。這樣一來(lái)，它的關(guān)斷特性則與MOSFET的關(guān)斷特性相同。

反向電流依賴于VDS和VGS，如圖8（a）中的虛線所示。

在圖9（c）中，當(dāng)溝道是導(dǎo)通時(shí)，并且存在著一個(gè)導(dǎo)通的雙極式反向二極管時(shí)（漏源電壓大于柵極開(kāi)啟電壓），則會(huì)出現(xiàn)兩者相結(jié)合的電流運(yùn)行狀況。與簡(jiǎn)單地并聯(lián)了一個(gè)二極管的MOSFET相比，由于被注入的載流子還可以橫向擴(kuò)散，從而使得MOSFET的導(dǎo)電能力增加，最終導(dǎo)致通態(tài)電壓下降。

1.3.2 IGBT

根據(jù)前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如圖10所示的輸出特性。

1.3.2.1 正向截止?fàn)顟B(tài)

與MOSFET的原理相似，當(dāng)集電極－發(fā)射極電壓VCE為正，且柵極－發(fā)射極電壓VGE小于柵極－發(fā)射極開(kāi)啟電壓VGE(th)時(shí)，在IGBT的集電極和發(fā)射極端子之間僅存在著一個(gè)很小的集電極－發(fā)射極漏電流ICES。ICES隨VCE增加而略微增加。當(dāng)VCE大于某一特定的、最高允許的集電極－發(fā)射極電壓VCES時(shí)，IGBT的pin結(jié)（p＋井區(qū)/n－漂移區(qū)/n＋外延生長(zhǎng)層）會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)。從物理的角度來(lái)說(shuō)，VCES對(duì)應(yīng)了IGBT結(jié)構(gòu)中pnp雙極式晶體管的擊穿電壓VCER。

出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象時(shí)，由集電極－基極二極管引起的電流放大效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致雙極晶體管的開(kāi)通，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT的損壞。

圖9

    值得慶幸的是，基極和發(fā)射極區(qū)幾乎被金屬化的發(fā)射極所短路。它們之間只是被p＋井區(qū)的橫向電阻所隔開(kāi)。

應(yīng)用多種設(shè)計(jì)措施，類似于針對(duì)MOSFET所采取的措施一樣，IGBT的單元鎖定電流可以維持在一個(gè)很低的水平，從而使正向截止電壓能夠獲得較高的穩(wěn)定性。

1.3.2.2 導(dǎo)通狀態(tài)

當(dāng)集電極－發(fā)射極電壓和集電極電流均為正值時(shí)，IGBT處于正向?qū)顟B(tài)，可以進(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)區(qū)域。

1）主動(dòng)區(qū)域 當(dāng)柵極－發(fā)射極電壓VGE只是略大于開(kāi)啟電壓VGE(th)時(shí)，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，溝道會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可觀的壓降（輸出特性中的水平線）。此時(shí)，集電極電流跟隨VGE而變化。

類似于MOSFET，用正向轉(zhuǎn)移斜率gfs來(lái)描述圖10（b）所示的轉(zhuǎn)移特性。

gfs=dIC/dVGE=IC/(VGE－VGE(th))（6）

轉(zhuǎn)移特性在線性放大區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)換斜率隨集電極電流IC和集電極－發(fā)射極電壓VCE的增加而增加，并隨芯片溫度的降低而減小。

在由多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)構(gòu)成的功率模塊中，這一區(qū)域只是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中被經(jīng)過(guò)。

一般來(lái)說(shuō)，模塊在這一區(qū)域中的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是不被允許的（如同MOSFET模塊一樣）。究其原因，是VGE(th)隨溫度的上升而下降，因此，單個(gè)芯片之間小小的制造偏差就可能引起溫升失衡。

2）飽和區(qū)域 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，一旦IC只是由外部電路所決定，便處于所謂的飽和區(qū)域，也被稱作導(dǎo)通狀態(tài)（輸出特性中的陡斜部分）。導(dǎo)通特性的主要參數(shù)是IGBT的殘余電壓VCEsat（集電極－發(fā)射極飽和壓降）。至少對(duì)于高截止電壓的IGBT器件來(lái)說(shuō)，由于n－漂移區(qū)的少子泛濫，使得IGBT的飽和壓降明顯低于同類型MOSFET的通態(tài)壓降。

圖10

    正如前面所提到過(guò)的，PT型IGBT的VCEsat在額定電流區(qū)域內(nèi)隨溫度的升高而下降。而對(duì)于NPT型IGBT來(lái)說(shuō)，它則隨溫度的增加而增加。

1.3.2.3 反向特性

在反向運(yùn)行狀態(tài)下，如圖10中第三象限所示，IGBT集電極端的pn結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，與MOSFET不同的是，IGBT不具備反向?qū)ǖ哪芰Α?/P>

盡管IGBT結(jié)構(gòu)中存在著一個(gè)高阻的pin二極管，但目前的IGBT的反向截止電壓僅在數(shù)十V上下，尤其對(duì)于NPT型IGBT來(lái)說(shuō)更是如此。究其原因，是在于設(shè)計(jì)芯片和它的邊緣結(jié)構(gòu)時(shí)，人們著重于追求高的正向截止電壓和優(yōu)化集電極端口的散熱。

對(duì)于某些特殊的，需要IGBT開(kāi)關(guān)承受反向電壓的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，到目前為止全部采用了混合結(jié)構(gòu)，即在模塊中串聯(lián)一個(gè)快速二極管。

因此，IGBT模塊在靜態(tài)反向工作時(shí)，它的導(dǎo)通特性只是由外部的或者混合的二極管的特性來(lái)決定。（未完待續(xù)）