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IGBT中寄生晶闸管的闩锁

2026-02-26 09:38:03

闩锁发生时,IGBT与连续电流传导状态相关。故施加的栅压对输出集电极电流没有影响。不同栅压下,IGBT的输出集电极电流特性曲线变成了一条与栅压无关的曲线,这会观察到IGBT的正向电压下降。因此可定义为IGBT的高电流状态。只有通过将集电极电压的极性反转或关断该电压才能使得闩锁停止。

目前已经明确了IGBT的两种闩锁模式,即动态和静态。

静态闩锁是当IGBT处于正向导通状态时,当电流密度超过极限临界值时会发生这种情况,此时集电极电压很低但集电极电流很大,此时的闩锁过程并不近局限于IGBT部分区域,而是扩散到大部分有源区内。

动态闩锁则是在开关过程中,其闩锁发生时所需的电流密度低于静态闩锁。在IGBT关断期间,快速消失的IGBT的电流会在Pwell电阻RB反方向上产生大量的空穴电流,从而形成了电压降,当超过PN结开启电压时,会从N+发射区向Pwell区注入大量电子。因此在动态闩锁模式中,因存在过流空穴电流,闩锁发生在集电极电流值较低时。

静态闩锁

静态闩锁情况下,IGBT中顶部的NPN晶体管不再处于有源状态。横向流入Pwell的空穴电流Ip穿过N+发射区下方区域,并被N+发射区/Pwell短路处的发射极金属收集。这个横向流动的空穴电流在X点使得N+发射区/Pwell区结正向偏置。

虽然空穴的收集是沿着Pwell的整个长度发生的,但是为了方便计算,可以有以下计算:

空穴电流Ip又与流经沟道的电子电流In有关,则:

αpnpPNP晶体管的电流增益,此外发射极电流IE由下式确定:

故而,综合得到:

当组成晶体管的电流增益综合αnpn+αpnp等于1时,发生闩锁,即:

为了增加NPN型晶体管的电流增益,使其达到这个条件的有效值,N+P结上的正向偏置必须等于这个结的内建电势VBi=0.7V,因此稳态闩锁电流表示为:

又因:

其中ρspPwell的方块电阻,因此:

综上,IGBT稳态闩锁的必要条件就是αnpn+αpnp≥1

根据以上可以知道提高闩锁电流:

a.降低PNP型晶体管的电流增益αpnp

b.降低Pwell的方块电阻;

c.使用更短的发射极长度LE

动态闩锁

下图是电感负载的关断电路及相关波形。

t=t1时刻,集电极-发射极电压急剧上升到电源电压Vs,略微超过该电压。因此关断之后,PNP型晶体管的电流增益增加到对应于电压V1=Vs,从而,

D表示动态,I表示电感负载,

这是使用电感负载进行动态关断的未耗尽Pwell区宽度。此时,当满足αnpn,DI+αpnp,DI≥1,或αnpn,DI=1-αpnp,DI

这是因为αpnp,DI>αnpn,SS,发生闩锁时空穴电流Ih非常明显,所以关断前的稳态集电极电流ICE小于静态闩锁时的集电极电流,这就是动态闩锁发生在较低的集电极-发射极电流的原因。假设αpnp,DIIh线性相关,那么电感负载下的动态和静态闩锁电流比则是:

dN-漂移区厚度,La为双极型扩散长度。

电感负载时,载流子寿命降低之后动态闩锁的可能性变小,这是因为闩锁电流比对包含寿命的参数La的依赖性变弱。但是寿命降低会降低空穴电流Ih与集电极-发射极电流ICE之比,从而增加了静态闩锁电流和动态闩锁电流的绝对值。

在动态闩锁电流的分析中,其实忽略了集电极-发射极电压对Pwell电阻的影响。实际耗尽层也扩展到Pwell,尽管距离较短,这也提高了Pwell的方块电阻及RB。在较高的集电极-发射极电压下,这个现象会变得更严重。因此动态闩锁可能会比上述分析中更小的电流发生。

沟槽栅IGBT的闩锁电流密度

沟槽栅极的IGBT结构在闩锁电流上比平面栅有着显著改善。这是因为二者空穴电流流动路径的差异。

在平面栅结构中,空穴电流主要发生在N+发射区下方水平流动,从而导致了大的电压降,这就导致了在较低的集电极-发射极电流下发生闩锁。

在沟槽栅结构中,空穴电流垂直流动,空穴电流的电阻取决于N+发射区的深度。通过使用浅P+区域,可以明显降低这个电阻,从而使得IGBT更具有抗闩锁性。这个P+区域与通常用于防止闩锁的深P+结构具有相同的作用,它降低了空穴电流的电阻。

沟槽栅IGBT的闩锁电流密度和平面栅IGBT的闩锁电流密度的分析一致,导致N+发射区/Pwell结正向偏置的空穴电流分量IpN+发射区的结深度xN+P+层的电阻率ρp+控制。分流电阻Rs可表达为:

Wt为相邻沟槽之间的距离。

因为空穴电流的垂直流动,此处不使用P+层的方块电阻率。则闩锁的条件是:

其中空穴电流Ip表示为:

闩锁电流密度JCEL,Trench为:

其中,Wm为沟槽宽度,WtPwell宽度

所以,沟槽栅IGBT除了降低了空穴电流电阻外,其较小的元胞尺寸也导致了其闩锁电流密度也高于平面栅IGBT

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作者: 深圳市亿伟世科技有限公司
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闩锁发生时,IGBT与连续电流传导状态相关。故施加的栅压对输出集电极电流没有影响。不同栅压下,IGBT的输出集电极电流特性曲线变成了一条与栅压无关的曲线,这会观
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