一文秒懂IGBT的工作原理及测试

时间： 2024-03-01 来源：芯长征科技公众号

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一、IGBT工作原理

1、什么是IGBT

图 1

IGBT：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。

二、IGBT工作原理

由于IGBT既可用作BJT又可用作MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。对于传统的BJT，增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们将其称为Beta并表示为β。另一方面，对于MOS管，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定IGBT的增益。

如下图所示，当集电极相对于发射极处于正电位时，N沟道IGBT导通，而栅极相对于发射极也处于足够的正电位(>VGET)。这种情况导致在栅极正下方形成反型层，从而形成沟道，并且电流开始从集电极流向发射极。IGBT中的集电极电流Ic由两个分量Ie和Ih组成。Ie是由于注入的电子通过注入层、漂移层和最终形成的沟道从集电极流向发射极的电流。Ih是通过Q1和体电阻Rb从集电极流向发射极的空穴电流。因此尽管Ih几乎可以忽略不计，因此Ic≈Ie。在IGBT中观察到一种特殊现象，称为IGBT的闩锁。这发生在集电极电流超过某个阈值（ICE）。在这种情况下，寄生晶闸管被锁定，栅极端子失去对集电极电流的控制，即使栅极电位降低到VGET以下，IGBT也无法关闭。现在要关断IGBT，我们需要典型的换流电路，例如晶闸管强制换流的情况。如果不尽快关闭设备，可能会损坏设备。

集电极电流公式1

下图很好地解释IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整个器件工作范围。

图 2 IGBT的工作原理图

IGBT 仅在栅极端子上有电压供应时工作，它是栅极电压，即VG。如上图所示，一旦存在栅极电压 ( VG ) ，栅极电流 ( IG ) 就会增加，然后它会增加栅极-发射极电压 ( VGE )。因此，栅极-发射极电压增加了集电极电流 ( IC )。因此，集电极电流 ( IC ) 降低了集电极到发射极电压 ( VCE )。

图 3

三、IGBT功率半导体器件主要测试参数

近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件,并得到越来越广泛的应用,那么IGBT的测试就变的尤为重要了。IGBT的测试包括静态参数测试、动态参数测试、功率循环、HTRB可靠性测试等，这些测试中最基本的测试就是静态参数测试。

表 1

IGBT静态参数主要包含：栅极-发射极阈值电压VGE(th)、栅极-发射极漏电流IGEs、集电极-发射极截止电流ICEs、集电极-发射极饱和电压VCE(sat)、续流二极管压降VF、输入电容Ciss、输出电容Coss、反向传输电容Crss。只有保证IGBT的静态参数没有问题的情况下，才进行像动态参数(开关时间、开关损耗、续流二极管的反向恢复)、功率循环、HTRB可靠性方面进行测试。

图 4

四、IGBT功率半导体器件测试难点

IGBT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，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点；同时IGBT芯片属于电力电子芯片，需要工作在大电流、高电压、高频率的环境下，对芯片的可靠性要求较高。

这给IGBT测试带来了一定的困难：

1、IGBT是多端口器件，需要多种仪表协同测试；

2、IGBT的漏电流越小越好，需要高精度的设备进行测试；

3、IGBT的电流输出能力很强，测试时需要快速注入1000A级电流，并完成压降的釆样；

4、IGBT耐压较高，一般从几千到一万伏不等，需要测量仪器具备高压输出和高压下nA级漏电流测试的能力；

5、由于IGBT工作在强电流下，自加热效应明显，严重时容易造成器件烧毁，需要提供μs级电流脉冲信号减少器件自加热效应；

6、输入输出电容对器件的开关性能影响很大，不同电压下器件等效结电容不同，C-V测试十分有必要。

图 5

五、测试总结

完成功率半导体器件的完整参数测试，包括IV，CV和Qg，支持在高低温条件下进行参数测试；测试全自动化，B1506A将所有的接线切换通过开关矩阵实现，实现了测量的自动化，既能保证测试精度和重复性，同时极大的提升了测量速度；可以建立Datasheet Characterization测试模板，测试结果可以输出测试数据、Datasheet报告和数据汇总等。

文章来源：功率半导体生态圈

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