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IGBT工作原理

时间:2010-05-02 13:56:59

 igbt是什么 igbt是什么意思

今天,POWER MOSFET(POWER  METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR:大功率金属氧化物半导体场效晶体管)已成为大功率组件(POWER DEVICE)的主流,在市场上居于主导地位。以计算机为首之电子装置对轻薄短小化以及高机能化的要求带动POWER MOSFET的发展,此一趋势方兴未艾,技术之进步永无止境。在庞大计算机市场支撑之下,IC 开发技术人员在“大功率组件采用单晶IC(MONOLITHIC)技术”方面促成了MOS系大功率组件的突破。尤其是低耐压大功率 MOSFET,随者其母体“MOS IC”之集积度的提高而性能大增(双极晶体管﹝BIPOLAR TRANSISTOR﹞无法达到)。大功率MOSFET的动作原理十分容易了解,适合于驱动电路及保护电路等制成IC。
大功率组件(POWER DEVICE)不可避免地会发热,在此情况下,POWER MOSFET的MOS(METAL OXIDE SEMICONDUCTOR)系闸极(GATE)四周围绕的绝缘膜(材质通常为SiO2)的质量决定其特性及可靠度。在组件技术及应用技术确立之时期,开发完成“AVALANCHE FET”并付诸生产,此种组件即使是在崩溃(AVALANCHE)之情况下也不会发生破坏。之后,大功率 MOSFET(POWER MOSFET)剩下的未解决课题是高耐压化,1998年在市场崭露头角的“COOL MOS”将业界水平一举提高至相当高的层次。AVALANCHE FET 及COOL MOS可以说是确定MOS系大功率组件之评价的两大支柱。838电子
在当初,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)期待只将NCH POWER MOSFET 的基片(SUBSTRATE)的极性从n型变更成p型就能够实现高耐压、大电流组件,但是,IGBT 在本质上为双及组件(BIPOLAR DEVICE),对于单及组件(UNIPOLAR DEVICE)POWER MOSFET 世代的技术人员而言较为难以了解。近年来,双极晶体管(BIPOLAR TRANSISTOR)的基础知识以及以往所累积的宝贵经验重新受到重视,这是有趣的现象(本来,电子之技术革新有全盘推翻以往所有技术的趋势)。
进入1990年代后,POWER MOSFET及IGBT等MOS系组件取双极系组件(SCR〔闸流体〕、BJT〔双极接合型晶体管〕)之地位而代之,如今已成为大功率组件(POWER DEVICE)之主流,其主要原因是,MOS系集成电路如今已成为IC 的主流了。随着手提型计算器及计算机等之迅速普及,为了节省消耗功率而延长电池之使用时间,性能稍差但省电的MOS IC顿时成为时代之宠儿。同时,导入先进之IC微细加工技术之后使得大功率组件之性能大幅提高。
 

 

代表性的数字IC的特征

 

制造技术

数位IC

积极度*

能源节约

动作速度**

低电压化

BIPOLAR

TTL

50

1~20m

1.5~10

5

I²L

300

100μ

15

1

MOS

CMOS

200

2.5μ

5~10

3

*5μrule之场合

GATE/mm²

W

n秒

V

**传输延迟时间

POWER MOSFET之特征
第一个进入市场的MOS系大功率组件是POWER MOSFET,当初之高耐压MOSFET的功率损失(POWER LOSS)很大,而且,驱动方法与以往不同,因而为电路设计老手所排斥。不过,其高频特性十分优秀,不易破坏在低电源电压下动作时之功率损失(POWER LOSS)远低于以往之组件,因此,发挥其优点的应用技术逐渐普及,以缓慢而稳定的速度扩展市场。尤其是随着使用电池电源之携带型电子机器的迅速发展,POWER MOSFET扮演着十分重要的角色。838电子 
POWER MOSFET的弱点是高耐压化后之功率损失激增。使用市电AC电源之电子装置所使用的POWER MOSFET的耐压必须高达500~1000V左右,在此高压领域内,在动作原理上,其功率损失较双极(BIPOLAR)系大功率组件为大。如果将组件之芯片尺寸(CHIP SIZE)加大时能够降低功率损失,但是会增加成本(在比较组件之电气性能及价格时以相同大小之芯片的条件作比较)。 
[!--empirenews.page--] IGBT的特征[/!--empirenews.page--]☆ IGBT的特征
和POWER MOSFET的比较,IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)在耐压600V以上之领域的功率损失相当低。IGBT的输出部分属于双极组件,具有以往之双极晶体管(BJT:BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR)的优点与缺点,虽然可以藉IC之设计技术提高BJT之性能,但是,无法根本解决BJT的电荷存储时件(STORAGE TIME)问题(BJT在OFF时需耗费较长时间),因此,在需要作高速开关动作(HIGH SPEED SWITCHING)之领域较不适合使用IGBT,但是,在使用AC市电驱动之场合(例如驱动马达等之场合),在高电压大功率之应用领域内使用IGBT的效率远较POWER MOSFET为高。 
分立型半导体组件(DISCRETE SEMICONDUCTOR)将来生存之必需条件是必须能够以和制作IC相同的设备来制造(IC之生产量为大功率组件的10倍以上),而POWER MOSFET以及IGBT均具备此条件。
 MOS系大功率组件之分类
大功率组件(POWER DEVICE)可依以下数点加以分类:1动作原理、2使用目的、3组件材料之种类、4截面形状、5组件基片材料(SUBSTRATE MATERIAL)之极性以及外加电极性、6容许消耗功率及外壳封装。
此外对于POWER MOSFET加以细分追加以下数项分类:7表面形状、8偏压(BIAS)之方法、9闸极(GATE)构造、10组件内部之电流流动方式。
依动作原理而分类

传输电流之媒体有两种,一种是以一种载子(CARRIER)传输电流的媒体,称为单极组件(UNIPOLAR ELEMENT);另外一种是以二种载子传输电流的媒体,称为双极组件(BIPOLAR ELEMENT)。前者之具体实例为FET(FIELD EFFECT TRANSISTOR),后者则有BJT(BI JUNCTION TRANSISTOR)及SCR(SILICON CONTROLLED RECTIFIER)等。如图所示为这些大功率组件的构造简图。这些组件均有3个端子,在组件内部有2~3个PN接合存在。FET和BJT内部的PN接合十分相似(不过,FET为纵向接合,BJT则为横向接合),不过,两者之动作原理完全不同,FET自始就只有一个通道(CHANNEL)存在,换句话说,泄极(DRANIN)和源极(SOURCE)间处于导通状态。反之BJT之场合,在射极(EMITTER)和集极(COLLECTOR)之间至少有一个逆方向PN接合二极管存在,此逆向二极管将电流予以阻绝。SCR由二个BJT构成,SCR顾名思意为整流器,电流仅从阳极往阴极方向作单向流通。如果利用SCR来直接控制正负变化之交流时,所能控制之范围为0~50%。将两个SCR作反向并联连接以扩大控制范围,这就是“TRIAC”电流能够双方向流通(如图示)。

POWER MOSFET与IGBT之关系
IGBT(INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)乃是MOSFET与BJT的复合组件。MOSFET与SCR之复合组件称为MCT(MOS CONTROLLED THYRISTOR),如表所示为各种大功率组件的动作速度与电流密度的比较。和单极组件POWER MOSFET比较,双极组件IGBT及MCT能够藉传导度调变提高电流密度。但是,提高电流密度之后难以令其OFF(TURN OFF),于是,电流密度较IGBT为高的MCT的OFF速度更慢。不过,双极组件的ON速度和MOSFET并无太大差异。

 

大功率组件的动作速度及电流密度

 

电流密度*

动作时间

MOS化后

FET

1

50n

POWER MOSFET

BJT

4~5

IGBT

SCR

~15

20μ

MCT**

*耐压500V之场合的相对比较

-

**深受期待但未能在市场立足

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接合型FET与MOS型FET
因闸极构造之不同,FET可分为接合型与MOS型两大类。接合型FET的闸极藉PN接合与源极、泄极分离。在PN接合界面之处经常形成一种称为“空乏层”(DEPLETION LAYER)的绝缘领域,空乏层之厚度随着施加于接合上之电压的极性及大小儿增减变化。MOS型FET之场合,闸极与源极及泄极之间隔着SiO2等之绝缘膜儿完全分离。在稳定状态下,流过闸极绝缘膜之电流很小,只有1nA左右。
 使用时之注意事项838电子
MOS系组件在使用时必须注意避免遭受静电破坏(双极系组件较无此项顾虑)。
(a) 包装与搬运
☆ 采取妥善之包装方式以免搬运MOSFET之时在闸极—源极间产生静电。如果是塑料封装(PLASTIC PACKAGE)之MOSFET的场合,只要将其装入导电性袋子内即可。如果是金属封装之场合,必须使用导电性托盘(TRAY),并注意引线端子不要接触到非导电部。
☆ 不使用时不要打开MOSFET之包装。
☆ 作业人员之人体及衣服必须接地以泄放所带之静电。
☆ 拿取MOSFET时抓外壳封装本体,不可接触其引线端子。
☆ 作试验或组装时所用之装置一定要接地。
(b)作业环境
在原理上,能够对整个作业环境实施静电防止措施,不过,针对各个作业台分别实施静电对策较为合理,此时,必须遵守的一般原则如下:
☆ 令桌面带有中度之导电性,并予以接地。
☆ 令地板亦同样地带有中度之导电性,并予以接地。
☆ 人体亦须接地。
(c)相对湿度
湿度越高越容易泄放静电(静电之漏电越大),因此,作业环境之相对湿度必须保持在50%以上。当相对湿度超过70%时,几乎完全不会产生静电。
(d)作业人员之指导
特别是整个作业环境未实施静电防止对于策之场合,对于作业人员之注意事项也各有不同,必须定期地彻底指导各作业人员。主要项目如下:
☆ 作业服装之穿戴。
☆ 接地睕带之佩带。
☆ 在打开包装取零件时必须先将人体予以接地放电。
☆ 仅可在已经经由电阻接地之场所作业。
☆ 区别可能带电的物品(黏贴带、橡皮盖、塑料膜)。
☆ 区别已实施静电防止之场所及未实施之场所。
(e)测试电路内之保护对策
☆ 测试装置一定要接地。
☆ 在将受测组件架上测试装置之前必须先将试验电压归零。
☆ 使用特性曲线瞄绘仪(CURVE TRACER)时,为了防止寄生振荡,在受测MOSFET之闸极上串联100Ω以上之电阻。
☆ 在测试MOSFET时,所有之端子均必须配线(不可任其开路)。
☆ 在改变测试条件时,必须先将外加电压及电流归零。 
※参考Power(大功率)MOSFET/IGBT应用设计技术
 

 

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