现代功率模块及器件应用技术

文章摘要： 这个双极性反向二极管可以运行到由MOSFET所给定的电流极限。 然而在实际应用中，这个反向二极管将导致： 1）较大的通态损耗，它与MOSFET本身的损耗一起，必须被散发出去； 2）在MOSFET作为硬开关应用时具有较差的关断特性，从而限制了MOSFET的应用范围。 如图9（b）所示，原则上只要栅源电压大于栅极开启电压，即使漏源电压为负值，MOSFET的沟道也可以受控至导通状态。 如果此时的栅源电压保持在反向二极管的开启电压之下（例如，通过并联一个肖特基二极管），则漏源之间的反向电流就只是单极性的电子电流（多子电流）。这样一来

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    这个双极性反向二极管可以运行到由MOSFET所给定的电流极限。

    然而在实际应用中，这个反向二极管将导致：
    
    1）较大的通态损耗，它与MOSFET本身的损耗一起，必须被散发出去；
    
    2）在MOSFET作为硬开关应用时具有较差的关断特性，从而限制了MOSFET的应用范围。
    
    如图9（b）所示，原则上只要栅源电压大于栅极开启电压，即使漏源电压为负值，MOSFET的沟道也可以受控至导通状态。
    
    如果此时的栅源电压保持在反向二极管的开启电压之下（例如，通过并联一个肖特基二极管），则漏源之间的反向电流就只是单极性的电子电流（多子电流）。这样一来，它的关断特性则与MOSFET的关断特性相同。

    反向电流依赖于VDS和VGS，如图8（a）中的虚线所示。

    在图9（c）中，当沟道是导通时，并且存在着一个导通的双极式反向二极管时（漏源电压大于栅极开启电压），则会出现两者相结合的电流运行状况。与简单地并联了一个二极管的MOSFET相比，由于被注入的载流子还可以横向扩散，从而使得MOSFET的导电能力增加，最终导致通态电压下降。

1.3.2 IGBT

    根据前面描述的IGBT的工作原理，可以得到如图10所示的输出特性。

1.3.2.1 正向截止状态

    与MOSFET的原理相似，当集电极－发射极电压VCE为正，且栅极－发射极电压VGE小于栅极－发射极开启电压VGE（th）时，在IGBT的集电极和发射极端子之间仅存在着一个很小的集电极－发射极漏电流ICES。ICES随VCE增加而略微增加。当VCE大于某一特定的、最高允许的集电极－发射极电压VCES时，IGBT的pin结（p＋井区/n－漂移区/n＋外延生长层）会出现锁定效应。从物理的角度来说，VCES对应了IGBT结构中pnp双极式晶体管的击穿电压VCER。

    出现锁定现象时，由集电极－基极二极管引起的电流放大效应，可能会导致双极晶体管的开通，进而导致IGBT的损坏。

图9

    值得庆幸的是，基极和发射极区几乎被金属化的发射极所短路。它们之间只是被p＋井区的横向电阻所隔开。

    应用多种设计措施，类似于针对MOSFET所采取的措施一样，IGBT的单元锁定电流可以维持在一个很低的水平，从而使正向截止电压能够获得较高的稳定性。

1.3.2.2 导通状态

    当集电极－发射极电压和集电极电流均为正值时，IGBT处于正向导通状态，可以进一步细分为两个区域。

    1）主动区域 当栅极－发射极电压VGE只是略大于开启电压VGE（th）时，由于沟道电流的饱和效应，沟道会出现一个可观的压降（输出特性中的水平线）。此时，集电极电流跟随VGE而变化。

    类似于MOSFET，用正向转移斜率gfs来描述图10（b）所示的转移特性。

    gfs=dIC/dVGE=IC/（VGE－VGE（th））（6）

    转移特性在线性放大区域内的转换斜率随集电极电流IC和集电极－发射极电压VCE的增加而增加，并随芯片温度的降低而减小。

    在由多个IGBT芯片并联构成的功率模块中，这一区域只是在开关过程中被经过。

    一般来说，模块在这一区域中的稳态运行是不被允许的（如同MOSFET模块一样）。究其原因，是VGE（th）随温度的上升而下降，因此，单个芯片之间小小的制造偏差就可能引起温升失衡。

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