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IGBT模塊

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絕緣柵器件(IGBT、MOSFET)的柵射(或柵源)極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動器驅(qū)動脈沖的激勵下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，因此必須串聯(lián)一個電阻加以迅速衰減。電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗小;反之則慢，同時開關(guān)損耗大。但驅(qū)動速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴(yán)重的將使整個裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。
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能向IGBT提供足夠的反向柵壓。在IGBT關(guān)斷期間，由于電路中其他部分的工作，會在柵極電路中產(chǎn)生一些高頻振蕩信號，這些信號輕則會使本該截止的IGBT處于微通狀態(tài)，增加管子的功耗。重則將使調(diào)壓電路處于短路直通狀態(tài)。因此，最好給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加一反向柵壓(幅值一般為5~15 V)，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止。具有柵極電壓限幅電路，保護(hù)柵極不被擊穿。IGBT柵極極限電壓一般為+20 V，驅(qū)動信號超出此范圍就可能破壞柵極。由于IGBT多用于高壓場合。要求有足夠的輸入、輸出電隔離能力。所以驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，一般采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離。IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能的簡單、實用。應(yīng)具有IGBT的完整保護(hù)功能，很強(qiáng)的抗干擾能力，且輸出阻抗應(yīng)盡可能的低。
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IGBT，半導(dǎo)體制造的人都以為不就是一個分立器件(Power Disceret)嘛，都很瞧不上眼。然而他和28nm/16nm集成電路制造一樣，是國家“02專項”的重點扶持項目，這玩意是現(xiàn)在目前功率電子器件里技術(shù)最先進(jìn)的產(chǎn)品，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)的Power MOSFET，其應(yīng)用非常廣泛，小到家電、大到飛機(jī)、艦船、交通、電網(wǎng)等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”，長期以來，該產(chǎn)品（包括芯片）還是被壟斷在少數(shù)IDM手上(FairChild、Infineon、TOSHIBA)，位居“十二五”期間國家16個重大技術(shù)突破專項中的第二位（簡稱 “02專項”）。為了等一下便于理解IGBT，我還是先講下Power MOSFET的結(jié)構(gòu)。所謂功率MOS就是要承受大功率，換言之也就是高電壓、大電流。我們結(jié)合一般的低壓MOSFET來講解如何改變結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓、大電流。
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高電壓：一般的MOSFET如果Drain的高電壓，很容易導(dǎo)致器件擊穿，而一般擊穿通道就是器件的另外三端(S/G/B)，所以要解決高壓問題必須堵死這三端。Gate端只能靠場氧墊在Gate下面隔離與漏的距離(Field-Plate)，而Bulk端的PN結(jié)擊穿只能靠降低PN結(jié)兩邊的濃度，而最討厭的是到Source端，它則需要一個長長的漂移區(qū)來作為漏極串聯(lián)電阻分壓，使得電壓都降在漂移區(qū)上就可以了。
大電流：一般的MOSFET的溝道長度有Poly CD決定，而功率MOSFET的溝道是靠兩次擴(kuò)散的結(jié)深差來控制，所以只要process穩(wěn)定就可以做的很小，而且不受光刻精度的限制。而器件的電流取決于W/L，所以如果要獲得大電流，只需要提高W就可以了。
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雖然這樣的器件能夠?qū)崿F(xiàn)大功率要求，可是它依然有它固有的缺點，由于它的源、柵、漏三端都在表面，所以漏極與源極需要拉的很長，太浪費芯片面積。而且由于器件在表面則器件與器件之間如果要并聯(lián)則復(fù)雜性增加而且需要隔離。所以后來發(fā)展了VDMOS(Vertical DMOS)，把漏極統(tǒng)一放到Wafer背面去了，這樣漏極和源極的漂移區(qū)長度完全可以通過背面減薄來控制，而且這樣的結(jié)構(gòu)更利于管子之間的并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大功率化。但是在BCD的工藝中還是的利用LDMOS結(jié)構(gòu)，為了與CMOS兼容。他們的做法是在Wafer表面挖一個槽，把管子的溝道從原來的Planar變成了沿著槽壁的 vertical，果然是個聰明的想法。但是一個餡餅總是會搭配一個陷阱(IC制造總是在不斷trade-off)，這樣的結(jié)構(gòu)天生的缺點是槽太深容易電場集中而導(dǎo)致?lián)舸?，而且工藝難度和成本都很高，且槽的底部必須絕對rouding，否則很容易擊穿或者產(chǎn)生應(yīng)力的晶格缺陷。