一、IGBT概念

1.什么是IGBT

IGBT：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, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

二、IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關閉電路應用。

由于IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。對于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

如下圖所示，當集電極相對于發(fā)射極處于正電位時，N 溝道 IGBT 導通，而柵極相對于發(fā)射極也處于足夠的正電位 (>V GET )。這種情況導致在柵極正下方形成反型層，從而形成溝道，并且電流開始從集電極流向發(fā)射極。IGBT 中的集電極電流Ic 由兩個分量 Ie和 Ih 組成。Ie 是由于注入的電子通過注入層、漂移層和最終形成的溝道從集電極流向發(fā)射極的電流。Ih 是通過 Q1 和體電阻 Rb從集電極流向發(fā)射極的空穴電流。因此 盡管 Ih幾乎可以忽略不計，因此 Ic ≈ Ie。在 IGBT 中觀察到一種特殊現(xiàn)象，稱為 IGBT 的閂鎖。這發(fā)生在集電極電流超過某個閾值(ICE)。在這種情況下，寄生晶閘管被鎖定，柵極端子失去對集電極電流的控制，即使柵極電位降低到 VGET以下，IGBT 也無法關閉?，F(xiàn)在要關斷 IGBT，我們需要典型的換流電路，例如晶閘管強制換流的情況。如果不盡快關閉設備，可能會損壞設備。

集電極電流公式下圖很好地解釋IGBT的工作原理，描述了 IGBT 的整個器件工作范圍。

IGBT的工作原理圖

IGBT 僅在柵極端子上有電壓供應時工作，它是柵極電壓，即VG。如上圖所示，一旦存在柵極電壓 ( VG ) ，柵極電流 ( IG ) 就會增加，然后它會增加柵極-發(fā)射極電壓 ( VGE )。因此，柵極-發(fā)射極電壓增加了集電極電流 ( IC )。因此，集電極電流 ( IC ) 降低了集電極到發(fā)射極電壓 ( VCE )。

三、IGBT功率半導體器件主要測試參數(shù)

近年來IGBT成為電力電子領域中尤為矚目的電力電子器件,并得到越來越廣泛的應用,那么IGBT的測試就變的尤為重要了。IGBT的測試包括靜態(tài)參數(shù)測試、動態(tài)參數(shù)測試、功率循環(huán)、HTRB可靠性測試等，這些測試中最基本的測試就是靜態(tài)參數(shù)測試。

IGBT靜態(tài)參數(shù)主要包含：柵極-發(fā)射極閾值電壓VGE(th)、柵極-發(fā)射極漏電流IGEs、集電極-發(fā)射極截止電流ICEs、集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(sat)、續(xù)流二極管壓降VF、輸入電容Ciss、輸出電容Coss、反向傳輸電容Crss。只有保證IGBT的靜態(tài)參數(shù)沒有問題的情況下，才進行像動態(tài)參數(shù)(開關時間、開關損耗、續(xù)流二極管的反向恢復)、功率循環(huán)、HTRB可靠性方面進行測試。

四、IGBT功率半導體器件測試難點

IGBT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，兼有高輸入阻抗和低導通壓降兩方面的優(yōu)點;同時IGBT芯片屬于電力電子芯片，需要工作在大電流、 高電壓、高頻率的環(huán)境下，對芯片的可靠性要求較高。這給IGBT測試帶來了一定的困難：

1、IGBT是多端口器件，需要多種儀表協(xié)同測試;

2、IGBT的漏電流越小越好，需要高精度的設備進行測試;

3、IGBT的電流輸出能力很強，測試時需要快速注入1000A級電流，并完成壓降的釆樣;

4、IGBT耐壓較高，一般從幾千到一萬伏不等，需要測量儀器具備高壓輸出和高壓下nA級漏電流測試的能力;

5、由于IGBT工作在強電流下，自加熱效應明顯，嚴重時容易造成器件燒毀，需要提供μs級電流脈沖信號減少器件自加熱效應;

6、輸入輸出電容對器件的開關性能影響很大，不同電壓下器件等效結電容不同，C-V測試十分有必要。

五、測試總結

完成功率半導體器件的完整參數(shù)測試，包括IV，CV和Qg，支持在高低溫條件下進行參數(shù)測試;

測試全自動化，B1506A將所有的接線切換通過開關矩陣實現(xiàn)，實現(xiàn)了測量的自動化，既能保證測試精度和重復性，同時極大的提升了測量速度;

可以建立Datasheet Characterization測試模板，測試結果可以輸出測試數(shù)據(jù)、Datasheet報告和數(shù)據(jù)匯總等。

IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉移特性。

IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似.也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止狀態(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用范圍。

IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時，IGBT處于關斷狀態(tài)。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。

動態(tài)特性

動態(tài)特性又稱開關特性，IGBT的開關特性分為兩大部分：一是開關速度，主要指標是開關過程中各部分時間;另一個是開關過程中的損耗。

IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態(tài)時，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示：：

Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh

式中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～1V;Udr——擴展電阻Rdr上的壓降;Roh——溝道電阻。

通態(tài)電流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos——流過MOSFET的電流。

由于N+區(qū)存在電導調(diào)制效應，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為2～3V。IGBT處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。

IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和，漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成。

IGBT的觸發(fā)和關斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅動電路產(chǎn)生。當選擇這些驅動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅動技術進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關斷偏壓應該比許多MOSFET驅動電路提供的偏壓更高。

IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中：td(off)與trv之和又稱為存儲時間。

IGBT的開關速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關斷時不需要負柵壓來減少關斷時間，但關斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。