开关电源开关管工作原理(电子技术，IGBT模块不同的内部结构和电路图分析)

Posted 2023-05-25

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开关电源开关管工作原理(电子技术，IGBT模块不同的内部结构和电路图分析)

质量人如果有技术旁身，在进行质量管理和质量问题解决的时候，定会如虎添翼，收益良多。下面分享一篇电子技术应用的一种元器件内部结构和电路分析。

IGBT简介

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，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块

IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上。

IGBT模块特点

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的IGBT也指IGBT模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。

IGBT结构

上图所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP（原来为NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

IGBT原理

方法

IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。

导通

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）。如等效电路图所示（图1），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET 电流）；一个空穴电流（双极）。

关断

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

阻断与闩锁

当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的压降高的原因。

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制，此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管（如图1所示）。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：

当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现，只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别，降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。

IGBT模块五种不同的内部结构和电路图

1.单管模块，1 in 1模块

单管模块的内部由若干个IGBT并联，以达到所需要的电流规格，可以视为大电流规格的IGBT单管。受机械强度和热阻的限制，IGBT的管芯面积不能做得太大，大电流规格的IGBT需要将多个管芯装配到一块金属基板上。单管模块外部标签上的等效电路如图1所示，副发射极（第二发射极）连接到栅极驱动电路，主发射极连接到主电路中。

图1 单管，模块的内部等效电路

多个管芯并联时，栅极已经加入栅极电阻，实际的等效电路如图2所示。不同制造商的模块，栅极电阻的阻值也不相同；不过，同一个模块内部的栅极电阻，其阻值是相同的。

图2 单管模块内部的实际等效电路图

IGBT单管模块通常称为1 in 1模块，前面的“1”表示内部包含一个IGBT管芯，后面的“1”表示同一个模块塑壳之中。

2.半桥模块，2 in 1模块

半桥（Half bridge）模块也称为2 in 1模块，可直接构成半桥电路，也可以用2个半桥模块构成全桥，3个半桥模块也构成三相桥。因此，半桥模块有时候也称为桥臂（Phase-Leg）模块。

图3是半桥模块的内部等效。不同的制造商的接线端子名称也有所不同，如C2E1可能会标识为E1C2，有的模块只在等效电路图上标识引脚编号等。

图3 半桥模块的内部等效电路

半桥模块的电流/电压规格指的均是其中的每一个模块单元。如1200V/400A的半桥模块，表示其中的2个IGBT管芯的电流/电压规格都是1200V/400A，即C1和E2之间可以耐受最高2400V的瞬间直流电压。

不仅半桥模块，所有模块均是如此标注的。

3.全桥模块，4 in 1模块

全桥模块的内部等效电路如图4所示。

图4 全桥模块内部等效电路

全桥（Full bridge）模块也称为4 in 1模块，用于直接构成全桥电路；也可以用模块中的2个半桥电路并联构成电流规格大2倍的半桥模块，即将分别将G1和G3、G2和G4、E1和E3、E2和E4、E1C2和E3短接。

4.三相桥模块，6 in 1模块

三相桥（3-Phase bridge模块的内部等效电流如图5所示。

图5 三相桥模块的内部等效电路

三相桥模块也称为6 in 1模块，用于直接构成三相桥电路，也可以将模块中的3个半桥电路并联构成电流规格大3倍的半桥模块。三相桥常用的领域是变频器和三相UPS、三相逆变器，不同的应用对IGBT的要求有所不同，故制造商习惯上会推出以实际应用为产品名称的三相桥模块，如3-Phase inverter module（三相逆变器模块）等。

5.PIM模块，CBI模块，7 in 1模块

欧美厂商一般将包含图6所示的7 in 1模块称为CBI模块（Converter-Brake-Inverter Module，整流-刹车-逆变）模块，日系厂商则习惯称其为PIM模块。

图6 7 in 1模块内部的等效电路

制造商一般都会分别给出模块中个功能单元的参数，表1 是IXYS的MUBW 15-12 T7模块的主要技术规格。

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表1 MUBW 15-12 T7的主要技术规格

三相整流桥断路器三相逆变器NTC

VRRM=1600VVCES=1200VVCES=1200VR25=5.0kΩ

IFAVM=38AIC25=30AIC25=30AB25/50=3375K

IFSM=300AVCE（sat）=1.7VVCE（sat）=1.7V

其中，断路器和三相逆变器给出的都是IGBT管芯的技术规格，具体含义参见第3章相关内容；三相整流桥的参数含义如下。

·VRRM：最大反向峰值电压，峰值，其中一个二极管的电压规格最大值。

·IFAVM：最大正向平均电流，最大整流电流，与结温或环境温度有关。

·IFSM：最大正向浪涌电流，最大正向峰值电流，与结温或环境温度有关。

NTC的技术参数含义如下。

· R25：额定零功率电阻值，NTC的冷态电阻值，电阻本体温度为25℃时的电阻值，典型值。R25就是NTC热敏电阻的标称电阻值。通常所说“NTC多少阻值”指的就是R25。

· B25/50：热敏常数，NTC 电阻材料的电阻—温度特性，25/50 表示电阻本体的温度分别为25℃和50℃。根据 R25和B25/50；。可以计算出R50，计算公式如下：

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