什么是IGBT中的閂鎖效應(yīng)？圖文詳解-KIA MOS管

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能兩方面的優(yōu)點(diǎn)。閂鎖會(huì)使IGBT失去柵控能力，器件無法自行關(guān)斷，甚至?xí)GBT永久性燒毀。

IGBT應(yīng)用領(lǐng)域

IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。

閂鎖（Lanch-up）效應(yīng)，一般我們也可以稱之為擎住效應(yīng)，是由于IGBT超安全工作區(qū)域而導(dǎo)致的電流不可控現(xiàn)象，當(dāng)然，閂鎖效應(yīng)更多的是決定于IGBT芯片本身的構(gòu)造。實(shí)際工作中我們可能很少聽到一種失效率，閂鎖失效，今天我們就來聊一聊什么是閂鎖效應(yīng)。

一般我們認(rèn)為IGBT的理想等效電路如下圖所示：

IGBT 閂鎖效應(yīng)

上圖直觀地顯示了IGBT的組成，是對PNP雙極型晶體管和功率MOSFET進(jìn)行達(dá)林頓連接后形成的單片型Bi-MOS晶體管。

故在G-E之間外加正向電壓使MOS管導(dǎo)通時(shí)，PNP晶體管的基極-集電極之間就連上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。

此后，使G-E之間的電壓為零或者負(fù)壓時(shí)，首先MOS管處于斷路狀態(tài)，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而使IGBT關(guān)斷。所以，IGBT和MOS一樣，都是電壓控制型器件。

閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生是在哪里？

其實(shí)IGBT的實(shí)際等效電路與上面我們講到的理想等效電路略有不同，還需要考慮其內(nèi)部寄生的電容，如下圖：

IGBT 閂鎖效應(yīng)

從上圖我們可以看出，實(shí)際等效電路是由可控硅和MOS構(gòu)成的。內(nèi)部存在一個(gè)寄生的可控硅，在NPN晶體管的基極和發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流會(huì)在Rs上產(chǎn)生一定的電壓降，對于NPN基極來說，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。

在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏電壓不會(huì)很大，對于NPN晶體管起不了什么作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，該正向電壓則會(huì)大到足以使NPN晶體管開通，進(jìn)而使得NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。

此時(shí)，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極則會(huì)失去其原本的控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是我們所說的閂鎖效應(yīng)，也就是擎住效應(yīng)，準(zhǔn)確的應(yīng)該說是靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極的電流增大，產(chǎn)生過高的功耗，從而導(dǎo)致器件失效。

動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快（di/dt大），dv/dt很大，引起的較大位移電流，流過Rs，產(chǎn)生足以使NPN晶體管導(dǎo)通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管的自鎖。

在IGBT中，在有過電流流過時(shí)，我們通過控制門極來阻斷過電流，從而進(jìn)行保護(hù)。但是，一旦可控硅觸發(fā)，由于可控硅不會(huì)由于門極的阻斷信號(hào)等而進(jìn)行自動(dòng)消弧，因此此時(shí)的IGBT不可能關(guān)斷，最終導(dǎo)致IGBT因過電流而損壞。

那么我們可以怎么樣來防止或者說是減小擎住效應(yīng)呢？

一般有以下幾種技術(shù)：

采用難以產(chǎn)生擎住效應(yīng)的構(gòu)造，也就是減小體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs。

通過優(yōu)化n緩沖層的厚度和摻雜來控制PNP晶體管的hFE。

通過導(dǎo)入降低壽命的手段來控制PNP晶體管的hFE。

所以，關(guān)于IGBT的實(shí)際應(yīng)用，我們是不允許其超安全工作區(qū)域的，針對這個(gè)，我們采用了很多保護(hù)手段。所以，每個(gè)元器件，有的時(shí)候我們考慮的只是我們需要觀察的，但是其背后的故事則會(huì)告訴我們，為什么我們應(yīng)該這樣去考量。

從原材料到成品IGBT，這個(gè)過程經(jīng)歷了太多環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都很重要，這才有了滿足我們需求的各類元器件。

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