闩锁(Lanch-up)效应,一般我们也可以称之为擎住效应,是由于 IGBT 超安全工作区域而导致的电流不可控现象,当然,闩锁效应更多的是决定于 IGBT 芯片本身的构造。实际工作中我们可能很少听到一种失效率,闩锁失效,今天我们就来聊一聊什么是闩锁效应~
 
关于 IGBT 的构造我们这里不再赘述,集 MOS 和 BJT 于一身的"男人",一般我们认为 IGBT 的理想等效电路如下图所示
 
 
上图直观地显示了 IGBT 的组成,是对 PNP 双极型晶体管和功率 MOSFET 进行达林顿连接后形成的单片型 Bi-MOS 晶体管。
故在 G-E 之间外加正向电压使 MOS 管导通时,PNP 晶体管的基极 - 集电极之间就连上了低电阻,从而使 PNP 晶体管处于导通状态。此后,使 G-E 之间的电压为零或者负压时,首先 MOS 管处于断路状态,PNP 晶体管的基极电流被切断,从而使 IGBT 关断。所以,IGBT 和 MOS 一样,都是电压控制型器件。
 
那闩锁效应的产生是在哪里呢?
其实 IGBT 的实际等效电路与上面我们讲到的理想等效电路略有不同,还需要考虑其内部寄生的内容,如下图
 
 
从上图我们可以看处,实际等效电路是由可控硅和 MOS 构成的。内部存在一个寄生的可控硅,在 NPN 晶体管的基极和发射极之间并有一个体区扩展电阻 Rs,P 型体内的横向空穴电流会在 Rs 上产生一定的电压降,对于 NPN 基极来说,相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流分为内,这个正偏电压不会很大,对于 NPN 晶体管起不了什么作用。当集电极电流增大到一定程度时,该正向电压则会大到足以使 NPN 晶体管开通,进而使得 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态。此时,寄生晶闸管导通,门极则会失去其原本的控制作用,形成自锁现象,这就是我们所说的闩锁效应,也就是擎住效应,准确的应该说是静态擎住效应。IGBT 发生擎住效应后,集电极的电流增大,产生过高的功耗,从而导致器件失效。
 
动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快(di/dt 大),dv/dt 很大,引起的较大位移电流,流过 Rs,产生足以使 NPN 晶体管导通的正向偏置电压,造成寄生晶闸管的自锁。
 
在 IGBT 中,在有过电流流过时,我们通过控制门极来阻断过电流,从而进行保护。但是,一旦可控硅触发,由于可控硅不会由于门极的阻断信号等而进行自动消弧,因此此时的 IGBT 不可能关断,最终导致 IGBT 因过电流而损坏。
 
那么我们可以怎么样来防止或者说是减小擎住效应呢?一般有以下几种技术:
 
①采用难以产生擎住效应的构造,也就是减小体区扩展电阻 Rs;
 
②通过优化 n 缓冲层的厚度和掺杂来控制 PNP 晶体管的 hFE;
 
③通过导入降低寿命的手段来控制 PNP 晶体管的 hFE;
 
所以,关于 IGBT 的实际应用,我们是不允许其超安全工作区域的,针对这个,我们采用了很多保护手段。所以,每个元器件,有的时候我们考虑的只是我们需要观察的,但是其背后的故事则会告诉我们,为什么我们应该这样去考量。
从原材料到成品 IGBT,这个过程经历了太多环节,每个环节都很重要,这才有了满足我们需求的各类元器件。