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手把手教你测IGBT内部电容
橘子说IGBT | 2019-11-29 10:07:17    阅读:57   发布文章

目前,IGBT技术正全面快速的更新换代,IGBT器件也在各个领域广泛应用,为了进一步了解IGBT特性,从而满足器件性能、参数的进一步提升和优化,对IGBT内部结电容的准确测量也是非常必要的。

一、IGBT内部结电容有哪些

由于设计结构,IGBT内部存在许多寄生电容,这些等效电容可以简化为IGBT各级之间的电容:




1、输入电容Cies:Cies=CGC+CGE

当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启,放电致一定值时器件才可以关断,因此主要影响器件的开关速度、开关损耗。

2、输出电容Coes:Coes=CGC+CCE

主要影响器件VCE的变化,限制开关转换过程中的dv/dt。Coes造成的损耗一般可以被忽略。

3、反向传输电容Cres:Cres=CGC

也常叫米勒电容,主要影响器件栅极电压VGE和VCE的耦合关系。

二、IGBT开启过程中电容如何充电

第一阶段:施加的栅极电流对CGE充电,栅压VGE上升,至阈值电压VGE(th)。过程中集电极和发射极之间电压是无变化的,ICE为零。这段时间称为死区时间。

第二阶段:栅极电流对CGE和CGC充电,IGBT的集电极电流ICE开始增加,并达到最大负载电流IC,由于存在二极管的反向恢复电流,这个过程与MOSFET的开启有所不同。栅压VGE达到米勒平台电压。

第三阶段:栅极电流继续对CGE和CGC充电,此时栅压VGE保持不变,但是VCE开始快速下降。

第四阶段:栅极电流继续对CGE和CGC充电,VCE缓慢下降成稳态电压,米勒电容随着VCE的减小而增大。此时栅压VGE仍保持在米勒平台上。

第五阶段:栅极电流继续对CGE充电,栅压VGE开始增大,IGBT完全开启。

其中,第三、四阶段栅极出现一个恒定的电压,这种现象叫作米勒平台或米勒电压。这段时间,栅极的充电过程是由CGC决定的。VCE不断降低,电流IGC通过CGC给栅极放电,这部分电流需要驱动电流IDirver来补偿。

三、IGBT电容如何测试

1、测试设备

Keysight B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪、N1272A和N1273A组件。

Keysight B1505A是一个功能强大的测量和表征工具,通过连接N1272A和N1273A组件,能够完成IGBT器件CV测试。

2、测试频率的选择

由于测试电路中必然存在杂散电感和电容,如果将测试电路简化为一个RCL串联电路,那么稳态时,电压和电流的关系为

,化简即:

在模块封装和测试电路中,电感L的数量级一般为nH级,器件结电容C的数量级一般为nF级,当测试选择f=1MHz时,

的10^3-10^6倍,L可忽略,只侧重电容C的值。

3、测试过程与结果

在完成设备自身的电容校准和补偿后,B1505A可以生成一个电容校准文件。测试时,调用此文件进行设备配置,可完成高精度的测量。

①输入电容Cies

IGBT器件与设备正确连接后,根据测试条件,将VGS设置为0V,频率设置为1MHz,调整VCE电压扫描范围,开始测试。测试完后可得到VCE-Cies曲线,在曲线中某一VCE值对应的纵坐标即为Cies。下图分别为测试电路和测试图:

由于Cies=CGC+CGE,为了消除CCE的影响,器件结电容C的数量级一般为nF级,在CE两端并联一个1uF的电容,那么CCE和此电容并联所得的电容约为1uF,屏蔽了CCE。并联后的电容又与CGC串联,1uF的电容又被CGC屏蔽了。输入电容即为CGC和CGE并联所得。

其中,电路中GE间的电阻(100kΩ)作用是虚短路,防止IGBT状态的不稳定。CE间的电阻(100kΩ)利用高阻抗性,避免电源部分对电路测量的影响。GE间的电容(100nF)是为了隔绝直流电压直接加在设备上。

②同理,输出电容Coes

由于Coes=CGC+CCE,考虑如何消除CGE的影响。直接使C极和E极短路,则CGC与CCE并联,所得的电容值为Coes。

其中,GE和CE间的电容均为100nF,GE和CE间的电阻均为100kΩ。

9.JPG

③反向恢复电容Cres

其中,GE和CE间的电容均为100nF,GE和CE间的电阻均为100kΩ。

10.JPG

将三条电容曲线放在一张图中,则可得到下图:

11.JPG

可以看出,IGBT的结电容随着VCE的增大而逐渐减小,此现象尤其在低电压0~5V时比较明显。

一般认为,栅极通过氧化层与其它层之间的等效电容不随电压的变化而变化(包括栅极与芯片金属层之间的C1,栅极与N-区之间的C2,栅极和P沟道之间的C3,以及栅极与N+发射区之间的C4)。

半导体内部其他电容是空间电荷区作用的结果,会随着电压的变化而变化(包括半导体材料上表面与N-区之间的C5,与P沟道之间的C6,以及P沟道和N-区之间的C7)。这些电容可等效为电压控制的平面电容器。根据下式,

12.JPG

其中,A为电容器的表面积(cm2);d为空间电荷区的宽度(cm),C为电容(F)。

所以电容与电压的大小和载流子的浓度有关,随着VCE的增大,pn结不断耗尽,耗尽层越来越宽,相当于宽度d变大,反应到电容上就是呈现逐渐减小的趋势。

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