絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)是電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體器件，融合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和雙極結(jié)型晶體管(BJT)的優(yōu)點(diǎn)，兼具高輸入阻抗和低導(dǎo)通電壓降的特點(diǎn)。盡管SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，但在這些新技術(shù)興起前，IGBT已憑借高效、高可靠性的優(yōu)勢(shì)，成為許多高功率應(yīng)用的理想選擇，至今仍適配多種應(yīng)用場(chǎng)景。

本文將深入解讀器件結(jié)構(gòu)、損耗計(jì)算、并聯(lián)設(shè)計(jì)、可靠性測(cè)試等，帶大家一站式搞懂 IGBT 的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

IGBT器件結(jié)構(gòu)

IGBT 是由 4 個(gè)交替層 (P-N-P-N) 組成的功率半導(dǎo)體晶體管，通過(guò)施加于金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 柵極的電壓進(jìn)行控制。這一基本結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)逐漸調(diào)整和優(yōu)化后，可降低開(kāi)關(guān)損耗，且器件厚度更薄。安森美(onsemi)推出的 IGBT 將溝槽柵與場(chǎng)截止結(jié)構(gòu)相結(jié)合，旨在抑制固有的寄生 NPN 行為，該方法有助于降低器件的飽和電壓和導(dǎo)通電阻，從而提升整體功率密度。

圖 1：溝槽場(chǎng)截止 IGBT 結(jié)構(gòu)

IGBT損耗計(jì)算

想要讓 IGBT 在系統(tǒng)中高效運(yùn)行，精準(zhǔn)計(jì)算損耗是關(guān)鍵!IGBT的損耗可以分解為導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)(開(kāi)通和關(guān)斷)損耗，而二極管損耗包括導(dǎo)通和關(guān)斷損耗。準(zhǔn)確測(cè)量這些損耗通常需要使用示波器，通過(guò)電壓和電流探針監(jiān)視器件運(yùn)行期間的波形。測(cè)量能量需要用到數(shù)學(xué)函數(shù)，確定一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的總能量后，將其除以開(kāi)關(guān)周期時(shí)間便可得到功耗。

IGBT并聯(lián)設(shè)計(jì)

面對(duì)數(shù)十千瓦甚至數(shù)百千瓦的超大負(fù)載，單一 IGBT 器件往往難以勝任，此時(shí) “并聯(lián)設(shè)計(jì)” 就成了大功率系統(tǒng)的核心解決方案。并聯(lián)器件可以是分立封裝器件，也可以是組裝在模塊中的裸芯片。這種設(shè)計(jì)不僅能獲得更高的額定電流、改善散熱，還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冗余。需注意的是，部件之間的工藝變化以及布局變化，會(huì)影響并聯(lián)器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流分配。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要了解這些，才能設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)。并因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需重點(diǎn)考慮這些要點(diǎn)：靜態(tài)變化、動(dòng)態(tài)變化、熱系數(shù)、柵極電阻、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

IGBT可靠性

作為電力電子系統(tǒng)的 “核心器件”，IGBT 的可靠性對(duì)于保障整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全非常重要。IGBT需要經(jīng)過(guò)一系列廣泛的可靠性測(cè)試以驗(yàn)證一致性，這些測(cè)試旨在加速實(shí)際應(yīng)用中遇到的故障機(jī)制，從而確保在“真實(shí)世界”應(yīng)用中獲得令人滿意的可靠性能。

IGBT常規(guī)進(jìn)行的可靠性測(cè)試包括：高溫反向偏置 (HTRB)、高溫柵極偏置 (HTGB)、高溫儲(chǔ)存壽命 (HTSL) 測(cè)試、高濕高溫反向偏置 (H3TRB)、無(wú)偏高加速壓力測(cè)試 (UHAST)、間歇性工作壽命 (IOL)、溫度循環(huán) (TC)、低溫儲(chǔ)存壽命 (LTSL) 測(cè)試、穩(wěn)態(tài)工作壽命 (SSOL) 測(cè)試等。