【技術(shù)分享】詳解 IGBT 的閂鎖(Lanch-up)效應(yīng)

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(tīng)到一種失效率，閂鎖失效，今天我們就來(lái)聊一聊什么是閂鎖效應(yīng)~

 

關(guān)于 IGBT 的構(gòu)造我們這里不再贅述，集 MOS 和 BJT 于一身的"男人"，一般我們認(rèn)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(duì) 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。

 

那閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生是在哪里呢？

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)部寄生的內(nèi)容，如下圖

 

 

從上圖我們可以看處，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(duì)于 NPN 基極來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流分為內(nèi)，這個(gè)正偏電壓不會(huì)很大，對(duì)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(kāi)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(shuō)的閂鎖效應(yīng)，也就是擎住效應(yīng)，準(zhǔn)確的應(yīng)該說(shuō)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(guò)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(guò) 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(guò)電流流過(guò)時(shí)，我們通過(guò)控制門極來(lái)阻斷過(guò)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(guò)電流而損壞。

 

那么我們可以怎么樣來(lái)防止或者說(shuō)是減小擎住效應(yīng)呢？一般有以下幾種技術(shù)：

 

①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；

 

②通過(guò)優(yōu)化 n 緩沖層的厚度和摻雜來(lái)控制 PNP 晶體管的 hFE；

 

③通過(guò)導(dǎo)入降低壽命的手段來(lái)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(duì)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(guò)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。