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1、IGBT设计关键因素分析IGBT设计关键因素简析因为最近工作中比较多的涉及到IGBT，所以今天我们来聊一聊IGBT的设计的相关要点，当然只是从我们比较关心的几点出发，概括性地来说一说。而没有深入到物理参杂等方面，希望可以对你们有所帮助。IGBT基本结构和原理每次讲到IGBT，都会先对它进行一个简单的介绍。IGBT是一个复合器件，由一个MOSFET和一个PNP三极管组成；当然，也可以看成一个VDMOS和一个PN二极管的组成。基本结构如下图：等效电路如下：1、IGBT的静态参数常规IGBT只有正向阻断能力，由PNP晶体管的集电结承担，而其反向的电压承受能力只有几十伏，因为PNP晶体管的发射结处没有
2、任何终端和表面造型。IGBT在通态情况下，除了有一个二极管的门槛电压（0.7V左右）以外，其输出特性与VDMOS的完全一样。下图是IGBT的正反向直流特性曲线：IGBT的主要静态参数：阻断电压V(BR)CES器件在正向阻断状态下的耐压通态压降VCE(on)器件在导通状态下的电压降阈值电压VGE(th)器件从阻断状态到导通状态所需施加的栅极电压VG2、IGBT的开关特性IGBT的开关机理与VDMOS完全一样，由MOS栅来控制其开通和关断。所不同的是IGBT比VDMOS在漏极多了一个PN结，在导通过程中有少子空穴的参与，这就是所谓的电导调制效应。这一效应使得IGBT在相同的耐压下的通态压降比VDM
3、OS的低。由于在漂移区内空穴的存在，在IGBT关断时，这些空穴必须从漂移区内消失，与VDMOS的多子器件相比，IGBT双极器件的关断需要更长的时间。各个厂家对于Eon和Eoff的起始标准可能有所差异，对比时，最好进行统一，当然最好能够进行实际的实验对比，这样较为科学和可靠。IGBT的主要开关参数：开通时间 (td(on)+tr) 器件从阻断状态到开通状态所需要的时间关断时间 (td(off)+tf) 器件从开通状态到阻断状态所需要的时间开通能量(Eon)器件在开通时的能量损耗关断能量(Eoff)器件在关断时的能量损耗设计中的关键参数对于一个功率半导体器件而言，关键是器件的长期工作可靠性，而影响
4、可靠性关键的因素就是器件的功率损耗。这一点对大功率高频器件尤为重要。当然，功耗越小，则器件的可靠性就越高。IGBT的功率损耗主要体现在其反向阻断状态、导通状态及开关状态，而影响上述三个状态损耗的主要参数如下。1、阻断电压IGBT处于阻断状态时，希望在承受额定阻断电压时，器件的漏电流越小越好。这样，器件在阻断状态下的功率损耗越小。影响阻断电压的因素有下面几点：漂移区的电阻率的增加，耐压增加漂移区的厚度的增加，耐压增加栅极宽度的增加，耐压减少终端结构2、通态压降IGBT的通态压降VCE(on)由下面的电阻构成：Ron= RCS+ RN+ RCH+ RA+ RJ+ RD+ RSUB+ RCDVCE(
5、on)=Ron* Ic对高压IGBT而言，主要影响VCE(on)的电阻是RJ和RD，即JFET区域的电阻和N-漂移区内的电阻。 因此，如何尽量降低RJ和RD是大功率IGBT设计中应重点考虑的。我们提到的沟槽栅结构和场阻断结构就是为了减少RJ和RD。通态压降VCE(on)的大小决定着器件耗散功率的大小，之前我们也有提到过：Ptot=(Tj-Tc)/Rthjc=VCE(on)*IcRthjc为结壳热阻3、开关损耗IGBT的开关损耗主要时由开关能量和开关的频率fsw决定的，即Psw=Esw+fswEsw=Eon+EoffIGBT的Eon和Eoff主要取决于栅电阻RG，栅源间电容CGE和栅漏间电容CG
6、C，及IGBT中PNP三极管的增益PNP。降低RG、CGE和CGC可以同时降低Eon和Eoff，但是，要注意，发射效率PNP对开通能量和关断能量的影响是相反的，即PNP 大，开通时间短，但关断时间长。因此，在设计上要给于折中的考虑。在高频应用中，往往希望IGBT的关断时间要短，这样，在一般IGBT的设计中往往尽可能地减少PNP。这也是为什么在PT-IGBT中要采用n型缓冲层和在NPT-IGBT中要尽可能降低P发射区浓度和厚度的原因。另外，降低PNP，也有利于抑制IGBT的latch-up效应（擎住效应）。4、电容前面我们也给出过更加详细的寄生电容分布图，IGBT中应该注意下面三个主要的电容：输
7、入电容：Ciss=CGE+CGC输出电容：Coss=CCE+CGC反向传输电容(米勒电容)：Crss=CGC在设计中，要尽量使米勒电容越小越好，米勒电容越小，器件的开通和关断过程就越短。另外，在半桥线路中，如果米勒电容越大，则越容易引起直通现象(米勒效应)。Ciss 、Coss 和Crss 影响器件的开通和关断时间以及开通和关断延迟时间，进而影响器件的开关损耗。所以我们要充分考虑电容的协调性。5、频率特性影响IGBT的频率特性的主要因素如下：通态损耗和开关损耗越低，则器件的工作频率就越高散热特性越好，热阻越小，则频率就越高工作电流越大，则频率越低器件耐压越高，则频率越低栅极电阻越小，则频率越高
8、器件输入电容越小，则频率越高环境温度越高，则频率越低当然，频率的影响因素之中有些本身就是相互影响的，所以需要综合考虑主要的因素，寻求一个平衡。结构设计1、有源区结构常用的IGBT的有源区的原胞几何结构主要分为：条形、方形和正六边形。对通态压降而言，正六边形最小（Ron最小），条形最大（Ron最大）；对抗闭锁能力而言，条形最强 （Rb最小），正六边形最弱（Rb最大）；而且，条形原胞可以获得较好的耐压和通态压降之间的协调关系。如下图所示：有源区的设计主要要考虑两个值：栅源长度和(LG+LE)和栅源长度比(LG/LE)。原胞的栅长度LG与栅源长度和(LG+LE)的比例越小，米勒电容Crss就越小；原
9、胞的栅源长度比(LG/LE)越大，通态压降越小，耐压越低，短路电流越大。并且，多晶栅的长度LG越宽，JFET区域的压降越小，通态压降就越小。2、栅极结构栅极主要有两种：平面栅和沟槽栅，结构图如下：平面栅沟槽栅沟槽栅的优点：通态压降减小，与平面栅相比，减小了约30%左右；电流密度大。沟槽栅的缺点：沟槽工艺复杂；短路能力低；栅电容大，约为平面栅的3倍。3、终端设计常见的功率半导体器件的终端有一下四种：场限环结构，场板结构，JTE（结终端扩展）结构和VLD（横向变掺杂）结构。对高压IGBT器件，用的最多的，容易实现的终端结构是场限环结构，当然，也有的设计将上述方法结合起来。终端设计中应注意的几个问题
10、：PN结的曲率半径要尽可能大；曲率半径越大，承受电压的能力就越强实际环的宽度，取决于该环承受的电压降及PN结P型区的浓 实际环的间距，间距太小，则最后一个环承受的电压降较高； 反之，则第一个环承受的电压降较高环的表面电荷影响PN结表面的形状，进而影响该结承受电压降的能力。下图是场限环电场的分布：4、纵向结构漂移区电场分布主要两种：穿通型和非穿通型。穿通型电场分布的结构可以较好的实现耐压与通态压降之间的协调，而非穿通型电场分布的结构，通态压降往往较大，但其短路能力较强。IGBT主要三种纵向结构：PT穿通型、NPT型和FS场阻断结构。PT和FS属于穿通型；NPT属于非穿通型。三种纵向结构如下图：三
11、种结构的特点如下：PT穿通型结构的特点：p+衬底，n外延漂移区电场穿透漂移区，到达n+缓冲层负温度系数需要少子寿命控制技术材料成本较高不需要减薄工艺NPT非穿通型结构的特点：无外延层薄p发射区电场未穿透漂移区正温度系数热阻低不需要少子寿命控制技术材料成本低需要减薄工艺，但减薄后厚度较厚FS场阻断结构的特点：无外延层薄p发射区电场穿透漂移区，到达n+场阻断层正温度系数拖尾电流小通态压降小不需要少子寿命控制技术需要减薄工艺，但减薄后厚度较薄IGBT是一个MOS控制的双极器件。电场控制型器件的触发电路简单，器件的开关损耗低；双极器件由于少子的电导调制效应，在高电压时，可以获得较低的通态压降。因此，IGBT适用于大电流、高压和高频的应用。设计时，需要综合考虑上文提到的因素，当然还有其他一些文中没提出的，比如可靠性的影响因素。总之，在高频大功率IGBT的设计中，必须要在减少器件静态和开关功率损耗的基础上，综合考虑其静态、动态的各个参数，以及各个参数之间的协调性。