Project Description

耐压、漏电流、饱和压降 (相当于电阻)、导通电流、开关速度之间的权衡与平衡

Trade off between withstand voltage, leakage current, Vcesat (equivalent to resistance), Ic ON current, switching speed.

耐压(V) vs 漏电流(A)曲线

耐压值定义:当集极(collector)和射极(emitter)间的漏电流达到特定电流(例如2mA)时,此时的集极和射极的电压差为耐压。

  • 1.因Implant profile不均匀,漏电流因电压增加,成几何级数上升

  • 2.因芯片过薄,导致漏电流较大

  • 3.因Vth低,导致漏电流上升

  • 4.因Well杂质较多,漏电流成几何级数上升

问题一: 曲线A,因何制程不完善,导致实际耐压只有500v ?
问题二: 同为耐压700v,是否有其他参数可以鉴别漏电流高低 ?
问题三: 漏电流大,电路动作时,就算IGBT是关断,在长时间待机下, 是否容易耗光电池电量 ?

饱和压降Vcesat vs 導通電流Ic

对于MOS而言,导通电阻是重要参数。IGBT在不同导通电流Ic下,导通电阻R变化极大。所以改用饱和压降Vcesat来取代导通电阻参数。在额定电流下可以作导通电阻R和饱和压降Vcesat换算。1200v 150A Trench IGBT, Vcesat =1.8v。

导通电阻R = 1.8v / 150A = 12 mΩ 相当小的內电阻。

新能源车的牵引逆变器功率器件首选

在探讨新能源车的牵引逆变器功率器件首选是SiC还是Si 器件之前,我们先简单对比SIC MOSFET R=30mΩ 和 IGBT 1200v 150A 基本I-V特性:

从导通特性看,由于不同的物理结构,IGBT与SIC MSOFET具有不同的输出特性曲线。SiC MOSFET导通特性表现如一个电阻输出特性,而IGBT 则表现出一个非常明显的拐点(Knee Voltage)特性。这种技术上的差异即表现出两种器件不同的导通损耗特点。在电流较小时,SiC mosfet 具有更小的导通损耗,当电流较大(超过曲线交点,导通电流在30A)时,IGBT 的导通损耗则更小。当前市场上可以看到的配置基本分为 1)主驱动轴和辅驱动轴均采用了SiC功率器件; 2)主驱动轴采用高性能SiC 功率器件,而辅驱动轴则采用更具性价比的IGBT功率器件。

漏电流Ioff、开关速度Speed之间的权衡与平衡

在芯片制程过程:

通常越高的导通电流(组件导通下),常伴随的漏电流(组件关闭下)也会越高。
Vce=Ic x R,和IGBT I-V 曲线,在导通电流Ic小时,电阻相当高。通常用Vce表现来取代电阻参数。如果Vcesat要小,也可以让导通电流Ic不要操作在高电流区域。以1200v 150A為例,理论上,电流可以操作在150A,但实际上,舜间涌量电流(电流pulse)可以到450A。大厂牌的IGBT,在面对舜间涌量电流(电流 450A pulse)和涌量电压(电压 1440v pulse),都有比较好的承受能力。使用者,或可以将1200v 150A IGBT,用于额定电流75A或50A或更下的设备需求上。

同一个组件,在承受电压越高下,漏电流也越大。因此组件的耐压定义也是由漏电流大小决定。例如某个组件,定义漏电流小于1mA,耐压可达1200V。但当定义漏电流小于100uA,耐压可能只剩1100V。或当定义漏电流小于1uA,耐压可能只剩100V不到。
如果,为了减少漏电流,不断加重某特定离子值入浓度,同时也是在減少导通时的导通电流。因此耐压VBD、导通电流Ic、漏电流Ioff,需要权衡与平衡。高导通电流Ic下,耐压VBD和漏电流Ioff的表现就会不好。

组件的开关速度Speed,组件特性已决定大部份。栅极Gate开启ON速度、关闭OFF速度,决定栅极Gate开关速度,其中,有充足的栅极Gate大驱动电流,栅极Gate电容小,就容易嚷栅极Gate从0v上升到15v,或15v快速下降到0v。在有栅极Gate负载下,维持住栅极Gate完美的0v/15v电压方波图形。导通电流(Collect to Emitter)的RC time delay作用下,会有拖尾巴电流。电阻R、电容C小最好。但IGBT在小电流时,是高阻值,在大电流时,才会有小电阻行为(IGBT I-V 曲线)。小电流下,如果电阻也要小,表示小电流Ic下的漏电流Ioff要大。同时,如果Vcesat也要小,的导通电流Ic也要小。

水流出水龙头偷,水龙头开开关关,水也断断续续,水龙头开关速度越快、频率越高,水流水量都会越小。越大的电流要突然开开又关关,同样也难,所以IGBT难以用于高频应用,特别是>100Khz。

IGBT 导通电流Ic vs 导通电阻R

应用领域與分類

应用领域:

由于IGBT是采用电导率调制的双极开关器件,因此与单极MOSFET相比,其开关速度更低,尤其是其在高温下的关断时间更长。因此,IGBT导致了更高的开关损耗。但另一方面,IGBT的优点是,即使在大电流和高温下,其也能轻松地实现高耐压,并具有相对较低的导通电压。

因此,使用硅材料制造的IGBT和MOSFET分别适合以下应用领域:

MOSFET:低压应用(200V至300V)
IGBT:高压应用(1200V以上)
IGBT和MOSFET用于400V至1200V应用范围内的不同用途:
(1)IGBT用于开关频率小于20kHz,需具备高过载耐受能力的逆变器应用。
(2)MOSFET用于开关频率超过20kHz的逆变器应用。
(3)MOSFET用于某些低容量逆变器应用,而IGBT用于软开关和大电流密度应用。应根据其特性正确使用IGBT和MOSFET。

应用分類:

IGBT的频率,实际应用上,主要还是取决于散热和电流。一般而言,关断延迟比开通延迟长。系统散热不佳,加上因开关导致能量的损失 (开通损耗是Eon,关断损耗是Eoff),都会加重系统温度上升,最后IGBT失效。一般IGBT实际使用频率1~2KHz。最有效的方式,还是直接拿IGBT样品做测试,监控并比较实际系统温度。

  • High Speed IGBT :高速IGBT(20k -100 kHz), <5us

  • High Power IGBT:

  • Medium Power IGBT:

  • RC IGBT:

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