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IGBT的静态和动态雪崩击穿

IGBT的静态和动态雪崩击穿

混森蓝兽
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如果IGBT工作在高于集-射极断态电压UCES时,就可能会出现雪崩击穿。如果PN结中P区和N-区之间漂移区电场强度过大,那么PN结J2就会失去电压阻断能力。如果出现雪崩击穿,晶体中会产生大量的载流子。这样,在正向阻断方向会产生大电流。这种类型的雪崩击穿常常发生于IGBT静态关断时,通常会导致器件损坏,如图1所示。

 

图1.png

图1 IGBT静态雪崩击穿

 
  在IGBT关断时,伴随着大电流和高电压的出现可能会导致动态雪崩击穿。
  这种击穿机理类似于二极管的雪崩击穿,下面将会详细讨论。如果此时没有超出IGBT的安全工作区(SOA),那么器件就不会损坏。NPT IGBT和FS IGBT在动态雪崩时会将最大过冲电压限制在某个值,而这个值会高于IGBT的击穿电压U(BR)CES。图2给出一个此类的例子,一个1.2kV的NPT IGBT在动态雪崩击穿时,集-射极之间的电压达到了1850V。此时IGBT的工作状态超出了安全工作区的范围,因此必须禁止IGBT工作于这种状态。最新的IGBT技术以降低动态电压限制为目标,使其低于击穿电压从而保护IGBT不被损坏。这类技术被称作“动态钳位”或者“开关自钳位模式(SSCM)”。

 

图2.png

图2 1.2kV NPT IGBT高于静态击穿电压的动态限制电压

通过内部结构和掺杂浓度的调整,已经可以实现动态钳位的IGBT。当然,到量产还需要一定的时间。图3给出了自限压的1.2kV IGBT,其集-射极电压可以被限制到额定静态击穿电压。

 

图3.png

图3 自限压的1.2kV IGBT,其集-射极电压可以被限制到额定静态击穿电压

 
  像IGBT一样,续流二极管也可能发生雪崩击穿。续流二极管关断期间,尽管已经开始形成反向阻断能力,但是仍然会导致明显的反向恢复电流。反向恢复电流以空穴的形式穿过空间电荷区,流向正极。根据式(1),由于空穴电流产生的载流子浓度P和漂移区的载流子浓度ND相加,从而降低了二极管的阻断能力。等效的掺杂为

ND,eff=ND+P   (1)

  动态雪崩击穿会在低于二极管实际阻断电压的情况下发生(与二极管的静态击穿特性相反)。相应的IGBT在换流过程中开通得越快,且换流电流的变化率越高,动态雪崩击穿就发生得越快。但是这种效应实际上已经被补偿了一部分,因为雪崩击穿时产生的电子(电子和空穴成对出现),通过PN结向N区(阴极)漂移并与N区的空穴复合。如果发生二次击穿,二极管可能被损坏。
  在大电流变换率和高直流母线电压的情况下,一个强壮的二极管能够在发生雪崩击穿时不被损坏。

 
  通过内部结构和掺杂浓度的调整,已经可以实现动态钳位的IGBT。当然,到量产还需要一定的时间。图3给出了自限压的1.2kV IGBT,其集-射极电压可以被限制到额定静态击穿电压。

 

图3 自限压的1.2kV IGBT,其集-射极电压可以被限制到额定静态击穿电压

 
  像IGBT一样,续流二极管也可能发生雪崩击穿。续流二极管关断期间,尽管已经开始形成反向阻断能力,但是仍然会导致明显的反向恢复电流。反向恢复电流以空穴的形式穿过空间电荷区,流向正极。根据式(1),由于空穴电流产生的载流子浓度P和漂移区的载流子浓度ND相加,从而降低了二极管的阻断能力。等效的掺杂为

ND,eff=ND+P   (1)

  动态雪崩击穿会在低于二极管实际阻断电压的情况下发生(与二极管的静态击穿特性相反)。相应的IGBT在换流过程中开通得越快,且换流电流的变化率越高,动态雪崩击穿就发生得越快。但是这种效应实际上已经被补偿了一部分,因为雪崩击穿时产生的电子(电子和空穴成对出现),通过PN结向N区(阴极)漂移并与N区的空穴复合。如果发生二次击穿,二极管可能被损坏。
  在大电流变换率和高直流母线电压的情况下,一个强壮的二极管能够在发生雪崩击穿时不被损坏。


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