現(xiàn)代功率模塊及器件應(yīng)用技術(shù)

引言

最近20年來，功率器件及其封裝技術(shù)的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致了電力電子技術(shù)領(lǐng)域的巨大變化。當(dāng)今的市場要求電力電子裝置要具有寬廣的應(yīng)用范圍、量體裁衣的解決方案、集成化、智能化、更小的體積和重量、效率更高的芯片、更加優(yōu)質(zhì)價(jià)廉、更長的壽命和更短的產(chǎn)品開發(fā)周期。在過去的數(shù)年中已有眾多的研發(fā)成果不斷提供新的、經(jīng)濟(jì)安全的解決方案，從而將功率模塊大量地引入到一系列的工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域中。

因此，有必要就功率模塊的應(yīng)用技術(shù)，如選型、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、冷卻、并聯(lián)和串聯(lián)以及軟開關(guān)電路等，進(jìn)行一次全面的系列介紹。

1 IGBT和MOSFET功率模塊

1.1 應(yīng)用范圍

如圖1所示，當(dāng)前眾多的電力電子電路可由功率MOSFET或IGBT來實(shí)現(xiàn)。從上世紀(jì)80年代開始，它們先后出現(xiàn)于市場。與傳統(tǒng)的晶閘管相比，它們具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如可關(guān)斷的特性（包括在短路狀態(tài)下）、不需要緩沖網(wǎng)絡(luò)、控制單元簡單、開關(guān)時(shí)間短、開關(guān)損耗低等。

現(xiàn)在，電力電子技術(shù)不斷地滲透到新的應(yīng)用領(lǐng)域中，這首先歸功于IGBT和功率MOSFET的迅速發(fā)展。同時(shí)，它們的應(yīng)用在其現(xiàn)有的領(lǐng)域內(nèi)也在不斷地深化。數(shù)年前，高耐壓雙極型功率晶體管還被廣泛地應(yīng)用著。而現(xiàn)在只能在少數(shù)例外情況下發(fā)現(xiàn)它的蹤影，其位置已幾乎完全被IGBT所取代。

在電流達(dá)數(shù)十A或以上的應(yīng)用中，功率MOSFET及IGBT大多為含有硅芯片的絕緣式功率模塊。這些模塊含有一個(gè)或數(shù)個(gè)晶體管單元，以及和晶體管相匹配的二極管（續(xù)流二極管），某些情況下還含有無源元件和智能部分。

雖然功率模塊存在僅能單面冷卻的缺點(diǎn)，但它還是被廣泛地應(yīng)用于大功率電力電子技術(shù)中，與同期問世的平板式IGBT/二極管器件一爭高低。盡管平板式器件在雙面冷卻的條件下可以多散發(fā)約30％的熱損耗，但功率模塊仍然受到用戶廣泛的歡迎。其原因除了安裝簡易外，還在于模塊的芯片和散熱器之間的絕緣、其內(nèi)部多個(gè)不同元器件的可組合性、以及由于大批量生產(chǎn)而導(dǎo)致的低成本。

在當(dāng)今的市場上，盡管各種有競爭性的功率器件都在不斷地發(fā)展，但是IGBT模塊卻穩(wěn)穩(wěn)勝出，它的功率范圍也在不斷延伸。目前生產(chǎn)的IGBT模塊已具有了6?5kV、4.6kV、3.3kV和2.5kV的正向阻斷電壓。以此為基礎(chǔ)，MW級的、電壓至6kV的變流器（采用IGBT串聯(lián)的電路）已經(jīng)出現(xiàn)。

另一方面，MOSFET則被應(yīng)用于越來越高的頻率范圍。今天，使用合適的電路拓?fù)渑c封裝技術(shù)，已經(jīng)可以在500kHz以上實(shí)現(xiàn)較大的電流。

IGBT和MOSFET模塊已經(jīng)成為集成電子系統(tǒng)的基本器件，同時(shí)也正在成為集成機(jī)電系統(tǒng)的基本器件。

1.2 結(jié)構(gòu)和基本功能

下面所述的功率MOSFET和IGBT均指n溝道增強(qiáng)型，因?yàn)椋砹藰?gòu)成功率模塊的晶體管的主流。

在一個(gè)正向的驅(qū)動(dòng)電壓作用下，一塊p導(dǎo)通型的硅材料會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)電的溝道。這時(shí)，導(dǎo)電的載流子為電子（多子）。在驅(qū)動(dòng)電壓消失后，該器件處于截止?fàn)顟B(tài)（自截止）。

在大多數(shù)情況下，人們采用圖2和圖4所示的垂直式結(jié)構(gòu)。在這里，柵極和源極（MOSFET）或發(fā)射極（IGBT）均位于芯片上表面，而芯片底面則構(gòu)成了漏極（MOSFET）或集電極（IGBT）。負(fù)載電流在溝道之外垂直通過芯片。

在圖2所示的功率MOSFET和圖4所示的IGBT具有平面式柵極結(jié)構(gòu)，也就是說，在導(dǎo)通狀態(tài)下，導(dǎo)電溝道是橫向的（水平的）。

平面柵極（在現(xiàn)代高密度晶體管中更發(fā)展為雙重?cái)U(kuò)散柵極）仍是目前功率MOSFET和IGBT中占統(tǒng)治地位的柵極結(jié)構(gòu)。

平面式MOSFET和IGBT結(jié)構(gòu)是從微電子技術(shù)移植而來的，其漏極或集電極由n＋（MOSFET）或p＋（IGBT）井區(qū)構(gòu)成，位于芯片表面。負(fù)載電流水平地流經(jīng)芯片。借助于一個(gè)氧化層，n區(qū)可以與襯底相互隔離，從而有可能將多個(gè)相互絕緣的MOSFET或IGBT與其他結(jié)構(gòu)一起集成于一個(gè)芯片之上。

由于平面式晶體管的電流密度僅能達(dá)到垂直式結(jié)構(gòu)的30％，因而明顯地需要更多的安裝面積，所以，它們主要被用在復(fù)雜的單芯片電路中。

從構(gòu)造上來看，功率MOSFET（圖2）以及IGBT（圖4）由眾多的硅微單元組成。每cm2芯片上的單元數(shù)可達(dá)8.2105（最新的耐壓為60V的MOSFET）以及1105（高耐壓IGBT）。

圖2、圖4顯示了MOSFET和IGBT具有相似的控制區(qū)結(jié)構(gòu)。

n－區(qū)在截止?fàn)顟B(tài)下構(gòu)成空間電荷區(qū)。p導(dǎo)通井區(qū)被植入其內(nèi)，它在邊緣地帶的摻雜濃度較低（p－），而在中心地帶則較高（p＋）。

在這些井區(qū)里存在著層狀的n＋型硅，它們與源極端（MOSFET）或發(fā)射極端（IGBT）的金屬鋁表面相連。在這些n＋區(qū)之上，先是植入一層薄的SiO2絕緣層，然后再形成控制區(qū)（柵極），例如采用n＋型多晶硅材料。

當(dāng)一個(gè)足夠高的正向驅(qū)動(dòng)電壓被加在柵極和源極（MOSFET）或發(fā)射極（IGBT）之間時(shí)，在柵極下面的p區(qū)將會(huì)形成一個(gè)反型層的（n導(dǎo)通溝道）。經(jīng)由這個(gè)通道，電子可以從源極或發(fā)射極流向n－漂移區(qū)。

直至n－區(qū)為止，MOSFET和IGBT具有類似的結(jié)構(gòu)。它們出現(xiàn)在第三極區(qū)，從而決定了各自不同的性能。

1.2.1 Power MOSFET

圖2清楚地顯示了一個(gè)n溝道增強(qiáng)型垂直式結(jié)構(gòu)的功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和功能。圖2中的柵極結(jié)構(gòu)為平面式。

在MOSFET中，上述的層狀結(jié)構(gòu)是在一塊n＋導(dǎo)通型的硅基片上采用外延生長、植入、擴(kuò)散等方法來實(shí)現(xiàn)的。硅基片的背面形成了漏極。

當(dāng)電壓在漏極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)電場時(shí)，流向漂移區(qū)的電子會(huì)被吸引至漏極，空間電荷會(huì)因此而縮小。同時(shí)，漏源電壓下降，主電流（漏極電流）得以流動(dòng)。

因?yàn)椋谄茀^(qū)內(nèi)形成電流的電子全部是多子，所以，在高阻的n－區(qū)內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)兩種載流子的泛濫。因此，MOSFET是一個(gè)單極型器件。

在低耐壓的MOSFET器件中，微單元的電阻約占MOSFET的通態(tài)電阻的5％～30％。而對于高截止電壓的MOSFET來說，其通態(tài)電阻的約95％由n－外延區(qū)的電阻所決定。

因此，通態(tài)壓降

VDS(on)=IDRDS(on) （1）

式中：ID為漏極電流；

RDS(on)為通態(tài)電阻。

RDS(on)=kV(BR)DS （2）

式中：k為材料常數(shù)，當(dāng)芯片面積為1cm2時(shí)，k=8.310－9A－1；

V（BR）DS為漏源正向擊穿電壓。

圖6

對于現(xiàn)在市場上的MOSFET來說，當(dāng)它的截止電壓大于200～400V時(shí)，其通態(tài)壓降的理論極限值總是大于同等大小的雙極型器件，而其電流承載能力則小于后者。

另一方面，僅僅由多子承擔(dān)的電荷運(yùn)輸沒有任何存儲(chǔ)效應(yīng)，因此，很容易實(shí)現(xiàn)極短的開關(guān)時(shí)間。當(dāng)然，在芯片尺寸很大的器件中（高耐壓/大電流），其內(nèi)部電容充放電所需的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)相當(dāng)大，因?yàn)?，每cm2的芯片面積上的電容約0.3μF。

這些由MOSFET的物理結(jié)構(gòu)所決定的電容是其最重要的寄生參數(shù)。圖3表示了它們的起源和等效電路圖。表1解釋了圖3中各種寄生電容和電阻的起源和符號。

表1 MOSFET的寄生電容及電阻

1.2.2 IGBT

圖4清楚地顯示了一個(gè)n溝道增強(qiáng)型垂直式IGBT的結(jié)構(gòu)和功能。圖中的IGBT具有非穿通式NPT（Non Punch Through）結(jié)構(gòu)，柵極為平面式。

和MOSFET有所不同，在IGBT的n區(qū)之下有一個(gè)p＋導(dǎo)通區(qū)，它通向集電極。

流經(jīng)n－漂移區(qū)的電子在進(jìn)入p＋區(qū)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正電荷載流子（空穴）由p＋區(qū)注入n－區(qū)。這些被注入的空穴既從漂移區(qū)流向發(fā)射極端的p區(qū)，也經(jīng)由MOS溝道及n井區(qū)橫向流入發(fā)射極。因此，在n－漂移區(qū)內(nèi)，構(gòu)成主電流（集電極電流）的載流子出現(xiàn)了過盈現(xiàn)象。這一載流子的增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致了空間電荷區(qū)的縮小以及集電極－發(fā)射極電壓的降低。

盡管同MOSFET的純電阻導(dǎo)通特性相比，IGBT還需加上集電極端pn結(jié)的開啟電壓，但對于高截止電壓的IGBT器件來說（從大約400V起），因?yàn)?，高阻的n－區(qū)出現(xiàn)了少子增強(qiáng)效應(yīng)，所以，器件的導(dǎo)通壓降仍比MOSFET要低。這樣，在相同的芯片面積上，IGBT可以設(shè)計(jì)的電流比MOSFET更大。

另一方面，在關(guān)斷期間和隨后產(chǎn)生的集電極電壓的上升過程中，還來不及被釋放的大部分p存儲(chǔ)電荷Qs必須在n－區(qū)內(nèi)被再復(fù)合。Qs在負(fù)載電流較小時(shí)幾乎呈線性增長，而在額定電流以及過電流區(qū)域則由以下指數(shù)關(guān)系所決定：

存儲(chǔ)電荷的增強(qiáng)與耗散引發(fā)了開關(guān)損耗、延遲時(shí)間（存儲(chǔ)時(shí)間）、以及在關(guān)斷時(shí)還會(huì)引發(fā)集電極拖尾電流。

目前，除了圖4所顯示的非穿通結(jié)構(gòu)之外，穿通型結(jié)構(gòu)（PT=Punch Through）的IGBT也得到了應(yīng)用。最初的IGBT就是基于后者而形成的。

兩種結(jié)構(gòu)的基本區(qū)別在于，在PT型IGBT的n－和p＋區(qū)之間存在一個(gè)高擴(kuò)散濃度的n＋層（緩沖層）。另外，兩者的制造工藝也不同。

在PT型IGBT中，n＋和n－層一般是在一塊p型基片上外延生長而成。而NPT型IGBT的基本材料是一塊弱擴(kuò)散的n型薄硅片，在其背面植入了集電極端的p＋區(qū)。兩種IGBT的頂部結(jié)構(gòu)相同，均為平面式的MOS控制區(qū)。

圖5比較了兩種IGBT的構(gòu)造及其正向截止?fàn)顟B(tài)下的電場強(qiáng)度分布。

對于一個(gè)PT型IGBT或者IGET（E：外延生長式結(jié)構(gòu)Epitaxial structure）來說，在正向截止?fàn)顟B(tài)下，空間電荷區(qū)覆蓋了整個(gè)n－區(qū)。為了使生長層即使在高截止電壓下還是盡可能的薄，在n－漂移區(qū)的結(jié)尾處，其電場強(qiáng)度需要用高擴(kuò)散濃度的n＋緩沖層來減弱。

反之，對于NPT型IGBT或IGHT（H：同質(zhì)式結(jié)構(gòu)Homogenous structure）來說，它的n－漂移區(qū)具有足夠的厚度，以至于可以吸收在正向截止?fàn)顟B(tài)下最大截止電壓的場強(qiáng)。因此，在允許的工作范圍內(nèi)，電場延伸至整個(gè)n－區(qū)之外的現(xiàn)象（穿通）是不會(huì)發(fā)生的。

為了進(jìn)一步描述IGBT的功能以及PT和NPT型器件的不同特性，有必要來觀察由IGBT結(jié)構(gòu)而導(dǎo)出的等效電路〔圖6（b）〕。類似于圖3，可得到圖6中所示的寄生電容和電阻的起源與符號，如表2所列。

表2 IGBT的寄生電容及電阻

撇開器件內(nèi)部的電容和電阻不談，IGBT的等效電路含有同樣存在于MOSFET結(jié)構(gòu)中的理想MOSFET，以及一個(gè)寄生npn晶體管，即n＋發(fā)射區(qū)（發(fā)射極）/p＋井區(qū)（基極）/n漂移區(qū)（集電極）。在這個(gè)寄生結(jié)構(gòu)里，位于發(fā)射極之下的p＋井區(qū)的電阻被視為基極－發(fā)射極電阻RW。此外，下列區(qū)域組合構(gòu)成了一個(gè)pnp晶體管，即p＋集電極區(qū)（發(fā)射極）/n－漂移區(qū)（基極）/p＋井區(qū)（集電極）。這個(gè)pnp晶體管與上面的npn晶體管一起構(gòu)成了一個(gè)晶閘管結(jié)構(gòu)。

這一寄生晶閘管的鎖定效應(yīng)（Latch up）可能會(huì)出現(xiàn)于導(dǎo)通狀態(tài)（前提是某臨界電流密度被超過，該臨界值隨芯片溫度的增加而減?。?，也可以在關(guān)斷時(shí)發(fā)生（動(dòng)態(tài)鎖定，由比通態(tài)運(yùn)行時(shí)更高的空穴電流所引起）。后者發(fā)生的條件是式（3）被滿足

M(αnpn＋αnpn)=1（3）

式中：M為乘法系數(shù)；

αpnp，αnpn=αTγE，為單只晶體管的共基極電流增益，

αT為基極傳輸系數(shù)；

γE為發(fā)射極效率。

鎖定的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致IGBT失控，直至損壞。

對于當(dāng)代的IGBT，采用下述的設(shè)計(jì)措施，可以在所有允許的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下有效地防止鎖定效應(yīng)的出現(xiàn)。例如，通過合理的設(shè)計(jì)，在關(guān)斷時(shí)動(dòng)態(tài)鎖定所需的電流密度可達(dá)額定電流的15倍之多。

圖7

為此，晶體管的基極－發(fā)射極電阻可以通過下列措施減到如此的小，以至于在任何允許的運(yùn)行狀態(tài)下，都不可能達(dá)到該npn晶體管的基極－發(fā)射極二極管的開啟電壓。這些措施是，

1）增強(qiáng)直接在n發(fā)射極下p＋井區(qū)的擴(kuò)散濃度；

2）縮短n發(fā)射極的尺寸。

此外，通過調(diào)節(jié)pnp晶體管的電流放大倍數(shù)，使其空穴電流（npn晶體管的基極電流）被維持得盡可能小。當(dāng)然，在這里需要兼顧開關(guān)特性、耐沖擊性，以及通態(tài)特性，達(dá)到一個(gè)較好的折衷。后者也在某種程度上被pnp晶體管的設(shè)計(jì)所決定。

這一折衷方案在PT型和NPT型IGBT中有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。

在PT型IGBT中，從p＋區(qū)到n－漂移區(qū)的空穴注入效率（發(fā)射極效率）很高，原因是它的襯底相對來說較厚。它的pnp電流放大系數(shù)只能通過調(diào)節(jié)基極傳輸系數(shù)（n－漂移區(qū)，n＋緩沖區(qū)）來降低。為此，n區(qū)的載流子壽命可以通過附加的再復(fù)合中心（例如，采用金元素?cái)U(kuò)散或電子輻射工藝）來降低。其空穴電流約占總電流的40％～45％。

NPT型IGBT則與之不同，其集電極端的p發(fā)射極區(qū)是通過植入方式而形成的，明顯地薄于PT型IGBT的襯底。因此，在生產(chǎn)硅片時(shí)，擴(kuò)散濃度在材料上的分布可以很容易地被精確調(diào)節(jié)。這一極薄的p＋層保證了pnp晶體管的發(fā)射極效率較低（γE=0.5），以至于再也沒有必要采用降低載流子壽命的方法來減小基極的傳輸系數(shù)。其空穴電流約占總電流的20％～25％。

同PT型IGBT相比，NPT型IGBT的發(fā)射極效率較小，載流子壽命較長，且參數(shù)可以被更精確地控制。它的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）正向?qū)妷壕哂姓郎囟认禂?shù)（并聯(lián)時(shí)自動(dòng)地靜態(tài)均流）；

2）關(guān)斷時(shí)的拖尾電流較小，但部分情況下時(shí)間較長，在Tj=125℃時(shí)關(guān)斷損耗較低，（在硬關(guān)斷時(shí)）開關(guān)時(shí)間較短以及開關(guān)損耗較低；

圖8

3）開關(guān)時(shí)間與開關(guān)損耗（在Tj=125℃時(shí)）以及拖尾電流對溫度的依賴性明顯較低；

4）在過載時(shí)對電流的限制作用較好，因而具有較高的過載能力。

與PT型IGBT所采用的外延生長式襯底相比，目前作為NPT型IGBT基本材料的同質(zhì)n－基片的生產(chǎn)更容易一些，前提是要具備處理極薄硅片的能力。

1.3 靜態(tài)特性

MOSFET和IGBT模塊的輸出特性如圖7所示。第一象限顯示模塊可以承受高截止電壓和關(guān)斷大電流。對于第一象限的阻斷特性來說，更為精確一點(diǎn)的定義應(yīng)該是"阻斷狀態(tài)"（類似于晶閘管中的定義），但這一概念在晶體管中極少被用到。在下面，我們將使用正向截止?fàn)顟B(tài)或者（在不引起混淆的情況下）截止?fàn)顟B(tài)這個(gè)名稱。

通過控制極的作用，功率MOSFET和IGBT可以由正向截止?fàn)顟B(tài)（圖7中的工作點(diǎn)OP1）轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)（OP2）。在導(dǎo)通狀態(tài)下，器件可以通過負(fù)載電流。兩種狀態(tài)之間的主動(dòng)區(qū)域（放大區(qū)）在開關(guān)過程中被越過。

不同于理想開關(guān)，器件的正向截止電壓與通態(tài)電流均為有限值。在正向截止?fàn)顟B(tài)下存在一個(gè)殘余的漏電流（正向截止電流），它將在晶體管內(nèi)引起截止損耗。在導(dǎo)通狀態(tài)下，主電路端子之間存在著一個(gè)依賴于通態(tài)電流的殘余壓降，被稱為通態(tài)壓降，它將引起通態(tài)損耗。在靜態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)下（不是在開關(guān)過程中）的最大通態(tài)損耗在輸出特性中由表征通態(tài)損耗的雙曲線給出。

第三象限顯示模塊的反向特性，其條件是主電路端子之間被加上一個(gè)反向電壓。這一區(qū)域的特性由晶體管本身的性能（反向截止型，反向?qū)ㄐ停┘肮β誓K中的二極管特性（與晶體管串聯(lián)或反向并聯(lián)）所決定。

1.3.1 功率MOSFET

由上述的原理可以導(dǎo)出如圖8（a）所示的功率MOSFET的輸出特性。

1.3.1.1 正向截止?fàn)顟B(tài)

當(dāng)外加一個(gè)正的漏源電壓VDS時(shí)，若柵源電壓VGS小于柵源開啟電壓VGS(th)，則在漏源之間只有一個(gè)很小的漏電流IDSS在流動(dòng)。當(dāng)VDS增加時(shí)，IDSS也略有增加。當(dāng)VDS超過某一特定的最高允許值VDSS時(shí)，pin結(jié)（p＋井區(qū)/n－漂移區(qū)/n＋外延生長層）會(huì)發(fā)生鎖定現(xiàn)象（鎖定電壓V(BR)DSS）。這一鎖定電壓在物理上大致對應(yīng)了MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生npn雙極晶體管的擊穿電壓VCER。該npn晶體管由n源區(qū)（發(fā)射極）－p＋井區(qū)（基極）－n－漂移區(qū)/n＋生長層（集電極）構(gòu)成，如見圖3所示。

由集電極－基極二極管的鎖定現(xiàn)象所引起的電流放大效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致寄生雙極晶體管的導(dǎo)通，從而導(dǎo)致MOSFET的損壞。

值得慶幸的是，基極和發(fā)射極區(qū)幾乎被源極的金屬化結(jié)構(gòu)所短路，在兩區(qū)之間僅存在著p＋井區(qū)的橫向電阻。

應(yīng)用各種設(shè)計(jì)措施，如精細(xì)的MOSFET單元、均勻的單元布置、低阻的p＋井區(qū)、優(yōu)化的邊緣結(jié)構(gòu)以及嚴(yán)格統(tǒng)一的工藝，先進(jìn)的MOSFET已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)很小的單元鎖定電流。這樣一來，在嚴(yán)格遵守給定參數(shù)的情況下，寄生雙極晶體管結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通現(xiàn)象基本上可以被防止。所以，對于這一類的MOSFET芯片，可以定義一個(gè)允許的鎖定能量EA，分別針對單個(gè)脈沖以及周期性的負(fù)載（鎖定能量由最高允許的芯片溫度所限定）。

在功率模塊由多個(gè)MOSFET芯片并聯(lián)而成的情況下，因?yàn)椴豢赡苋〉眯酒g絕對的均衡，所以僅允許使用單個(gè)芯片所能夠保證的EA最大值。

1.3.1.2 導(dǎo)通狀態(tài)

在漏源電壓VDS和漏極電流ID均為正的情況下，正向的導(dǎo)通狀態(tài)可分為兩個(gè)區(qū)域，如圖8（a）中第一象限所示。

1）主動(dòng)區(qū)域 當(dāng)柵源電壓僅略大于柵極開啟電壓時(shí)，溝道內(nèi)電流的飽和作用將產(chǎn)生一個(gè)可觀的壓降（輸出特性的水平線）。此時(shí)，ID由VGS所控制。

在圖8（b）中，轉(zhuǎn)移特性可以借助正向轉(zhuǎn)移斜率gfs來描述。

gfs=dID/dVGS=ID/(VGS－VGS(th))（4）

在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)，正向轉(zhuǎn)移斜率隨著ID和源極電壓的增加而增加，并隨芯片溫度的增加而減小。

因?yàn)?，由多個(gè)MOSFET芯片并聯(lián)而成的功率模塊只允許在開關(guān)狀態(tài)下工作，所以，主動(dòng)區(qū)域只是在開通和關(guān)斷過程中被經(jīng)過。

一般來說，制造商不允許此類模塊在主動(dòng)區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。原因是VGS(th)隨溫度的上升而下降，因此，單個(gè)芯片之間小小的制造偏差就有可能引起溫升失衡。

2）電阻性區(qū)域 在開關(guān)工作狀態(tài)下，如果ID僅僅由外電路所決定，就處于被稱為通態(tài)的阻性區(qū)域。此時(shí)的導(dǎo)通特性可以用通態(tài)電阻，即漏源電壓VDS和漏極電流ID之商來描述。在大信號區(qū)域內(nèi)，通態(tài)電壓遵守式（5）關(guān)系。

VDS(on)=RDS(on)ID（5）

RDS(on)依賴于柵源電壓VGS和芯片溫度。在MOSFET通常的工作溫度范圍內(nèi)，它從25℃～125℃時(shí)大約會(huì)增加一倍。

1.3.1.3 反向運(yùn)行

在反向運(yùn)行時(shí)（第三象限），如果VGS小于VGS（th)，則MOSFET會(huì)顯示出二極管特性如圖8（a）中的實(shí)線所示。這一特性由MOSFET結(jié)構(gòu)中的寄生二極管所引起。集電極－基極的pn結(jié)或源漏pn結(jié)（反向二極管的雙極型電流）的導(dǎo)通電壓分別決定了MOSFET在反向時(shí)的導(dǎo)通特性如圖9（a）所示。

這個(gè)雙極性反向二極管可以運(yùn)行到由MOSFET所給定的電流極限。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)反向二極管將導(dǎo)致：

1）較大的通態(tài)損耗，它與MOSFET本身的損耗一起，必須被散發(fā)出去；

2）在MOSFET作為硬開關(guān)應(yīng)用時(shí)具有較差的關(guān)斷特性，從而限制了MOSFET的應(yīng)用范圍。

如圖9（b）所示，原則上只要柵源電壓大于柵極開啟電壓，即使漏源電壓為負(fù)值，MOSFET的溝道也可以受控至導(dǎo)通狀態(tài)。

如果此時(shí)的柵源電壓保持在反向二極管的開啟電壓之下（例如，通過并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管），則漏源之間的反向電流就只是單極性的電子電流（多子電流）。這樣一來，它的關(guān)斷特性則與MOSFET的關(guān)斷特性相同。

反向電流依賴于VDS和VGS，如圖8（a）中的虛線所示。

在圖9（c）中，當(dāng)溝道是導(dǎo)通時(shí)，并且存在著一個(gè)導(dǎo)通的雙極式反向二極管時(shí)（漏源電壓大于柵極開啟電壓），則會(huì)出現(xiàn)兩者相結(jié)合的電流運(yùn)行狀況。與簡單地并聯(lián)了一個(gè)二極管的MOSFET相比，由于被注入的載流子還可以橫向擴(kuò)散，從而使得MOSFET的導(dǎo)電能力增加，最終導(dǎo)致通態(tài)電壓下降。

1.3.2 IGBT

根據(jù)前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如圖10所示的輸出特性。

1.3.2.1 正向截止?fàn)顟B(tài)

與MOSFET的原理相似，當(dāng)集電極－發(fā)射極電壓VCE為正，且柵極－發(fā)射極電壓VGE小于柵極－發(fā)射極開啟電壓VGE(th)時(shí)，在IGBT的集電極和發(fā)射極端子之間僅存在著一個(gè)很小的集電極－發(fā)射極漏電流ICES。ICES隨VCE增加而略微增加。當(dāng)VCE大于某一特定的、最高允許的集電極－發(fā)射極電壓VCES時(shí)，IGBT的pin結(jié)（p＋井區(qū)/n－漂移區(qū)/n＋外延生長層）會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)。從物理的角度來說，VCES對應(yīng)了IGBT結(jié)構(gòu)中pnp雙極式晶體管的擊穿電壓VCER。

出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象時(shí)，由集電極－基極二極管引起的電流放大效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致雙極晶體管的開通，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT的損壞。

圖9

值得慶幸的是，基極和發(fā)射極區(qū)幾乎被金屬化的發(fā)射極所短路。它們之間只是被p＋井區(qū)的橫向電阻所隔開。

應(yīng)用多種設(shè)計(jì)措施，類似于針對MOSFET所采取的措施一樣，IGBT的單元鎖定電流可以維持在一個(gè)很低的水平，從而使正向截止電壓能夠獲得較高的穩(wěn)定性。

1.3.2.2 導(dǎo)通狀態(tài)

當(dāng)集電極－發(fā)射極電壓和集電極電流均為正值時(shí)，IGBT處于正向?qū)顟B(tài)，可以進(jìn)一步細(xì)分為兩個(gè)區(qū)域。

1）主動(dòng)區(qū)域 當(dāng)柵極－發(fā)射極電壓VGE只是略大于開啟電壓VGE(th)時(shí)，由于溝道電流的飽和效應(yīng)，溝道會(huì)出現(xiàn)一個(gè)可觀的壓降（輸出特性中的水平線）。此時(shí)，集電極電流跟隨VGE而變化。

類似于MOSFET，用正向轉(zhuǎn)移斜率gfs來描述圖10（b）所示的轉(zhuǎn)移特性。

gfs=dIC/dVGE=IC/(VGE－VGE(th))（6）

轉(zhuǎn)移特性在線性放大區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)換斜率隨集電極電流IC和集電極－發(fā)射極電壓VCE的增加而增加，并隨芯片溫度的降低而減小。

在由多個(gè)IGBT芯片并聯(lián)構(gòu)成的功率模塊中，這一區(qū)域只是在開關(guān)過程中被經(jīng)過。

一般來說，模塊在這一區(qū)域中的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是不被允許的（如同MOSFET模塊一樣）。究其原因，是VGE(th)隨溫度的上升而下降，因此，單個(gè)芯片之間小小的制造偏差就可能引起溫升失衡。

2）飽和區(qū)域 在開關(guān)過程中，一旦IC只是由外部電路所決定，便處于所謂的飽和區(qū)域，也被稱作導(dǎo)通狀態(tài)（輸出特性中的陡斜部分）。導(dǎo)通特性的主要參數(shù)是IGBT的殘余電壓VCEsat（集電極－發(fā)射極飽和壓降）。至少對于高截止電壓的IGBT器件來說，由于n－漂移區(qū)的少子泛濫，使得IGBT的飽和壓降明顯低于同類型MOSFET的通態(tài)壓降。

圖10

正如前面所提到過的，PT型IGBT的VCEsat在額定電流區(qū)域內(nèi)隨溫度的升高而下降。而對于NPT型IGBT來說，它則隨溫度的增加而增加。

1.3.2.3 反向特性

在反向運(yùn)行狀態(tài)下，如圖10中第三象限所示，IGBT集電極端的pn結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，與MOSFET不同的是，IGBT不具備反向?qū)ǖ哪芰Α?/P>

盡管IGBT結(jié)構(gòu)中存在著一個(gè)高阻的pin二極管，但目前的IGBT的反向截止電壓僅在數(shù)十V上下，尤其對于NPT型IGBT來說更是如此。究其原因，是在于設(shè)計(jì)芯片和它的邊緣結(jié)構(gòu)時(shí)，人們著重于追求高的正向截止電壓和優(yōu)化集電極端口的散熱。

對于某些特殊的，需要IGBT開關(guān)承受反向電壓的應(yīng)用來說，到目前為止全部采用了混合結(jié)構(gòu)，即在模塊中串聯(lián)一個(gè)快速二極管。

因此，IGBT模塊在靜態(tài)反向工作時(shí)，它的導(dǎo)通特性只是由外部的或者混合的二極管的特性來決定。（未完待續(xù)）