什么是IGBT中的閂鎖效應？圖文詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-01-14
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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件,具有功率MOSFET的高速性能與雙極的低電阻性能兩方面的優點。閂鎖會使IGBT失去柵控能力，器件無法自行關斷，甚至會將IGBT永久性燒毀。
IGBT應用領域
IGBT的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。
閂鎖（Lanch-up）效應，一般我們也可以稱之為擎住效應，是由于IGBT超安全工作區域而導致的電流不可控現象，當然，閂鎖效應更多的是決定于IGBT芯片本身的構造。實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。
一般我們認為IGBT的理想等效電路如下圖所示：
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進行達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管導通時，PNP晶體管的基極-集電極之間就連上了低電阻，從而使PNP晶體管處于導通狀態。
此后，使G-E之間的電壓為零或者負壓時，首先MOS管處于斷路狀態，PNP晶體管的基極電流被切斷，從而使IGBT關斷。所以，IGBT和MOS一樣，都是電壓控制型器件。
閂鎖效應的產生是在哪里？
其實IGBT的實際等效電路與上面我們講到的理想等效電路略有不同，還需要考慮其內部寄生的電容，如下圖：
從上圖我們可以看出，實際等效電路是由可控硅和MOS構成的。內部存在一個寄生的可控硅，在NPN晶體管的基極和發射極之間并有一個體區擴展電阻Rs，P型體內的橫向空穴電流會在Rs上產生一定的電壓降，對于NPN基極來說，相當于一個正向偏置電壓。
在規定的集電極電流范圍內，這個正偏電壓不會很大，對于NPN晶體管起不了什么作用。當集電極電流增大到一定程度時，該正向電壓則會大到足以使NPN晶體管開通，進而使得NPN和PNP晶體管處于飽和狀態。
此時，寄生晶閘管導通，門極則會失去其原本的控制作用，形成自鎖現象，這就是我們所說的閂鎖效應，也就是擎住效應，準確的應該說是靜態擎住效應。IGBT發生擎住效應后，集電極的電流增大，產生過高的功耗，從而導致器件失效。
動態擎住效應主要是在器件高速關斷時電流下降太快（di/dt大），dv/dt很大，引起的較大位移電流，流過Rs，產生足以使NPN晶體管導通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管的自鎖。
在IGBT中，在有過電流流過時，我們通過控制門極來阻斷過電流，從而進行保護。但是，一旦可控硅觸發，由于可控硅不會由于門極的阻斷信號等而進行自動消弧，因此此時的IGBT不可能關斷，最終導致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呢？
一般有以下幾種技術：
采用難以產生擎住效應的構造，也就是減小體區擴展電阻Rs。
通過優化n緩沖層的厚度和摻雜來控制PNP晶體管的hFE。
通過導入降低壽命的手段來控制PNP晶體管的hFE。
所以，關于IGBT的實際應用，我們是不允許其超安全工作區域的，針對這個，我們采用了很多保護手段。所以，每個元器件，有的時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告訴我們，為什么我們應該這樣去考量。
從原材料到成品IGBT，這個過程經歷了太多環節，每個環節都很重要，這才有了滿足我們需求的各類元器件。
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