手把手教你測IGBT內部電容

目前，IGBT技術正全面快速的更新換代，IGBT器件也在各個領域廣泛應用，為了進一步了解IGBT特性，從而滿足器件性能、參數的進一步提升和優化，對IGBT內部結電容的準確測量也是非常必要的。

一、IGBT內部結電容有哪些

由于設計結構，IGBT內部存在許多寄生電容，這些等效電容可以簡化為IGBT各級之間的電容：

1、輸入電容Cies：Cies=CGC+CGE

當輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關斷，因此主要影響器件的開關速度、開關損耗。

2、輸出電容Coes：Coes=CGC+CCE

主要影響器件VCE的變化，限制開關轉換過程中的dv/dt。Coes造成的損耗一般可以被忽略。

3、反向傳輸電容Cres：Cres=CGC

也常叫米勒電容，主要影響器件柵極電壓VGE和VCE的耦合關系。

二、IGBT開啟過程中電容如何充電

第一階段：施加的柵極電流對CGE充電，柵壓VGE上升，至閾值電壓VGE(th)。過程中集電極和發射極之間電壓是無變化的，ICE為零。這段時間稱為死區時間。

第二階段：柵極電流對CGE和CGC充電，IGBT的集電極電流ICE開始增加，并達到最大負載電流IC，由于存在二極管的反向恢復電流，這個過程與MOSFET的開啟有所不同。柵壓VGE達到米勒平臺電壓。

第三階段：柵極電流繼續對CGE和CGC充電，此時柵壓VGE保持不變，但是VCE開始快速下降。

第四階段：柵極電流繼續對CGE和CGC充電，VCE緩慢下降成穩態電壓，米勒電容隨著VCE的減小而增大。此時柵壓VGE仍保持在米勒平臺上。

第五階段：柵極電流繼續對CGE充電，柵壓VGE開始增大，IGBT完全開啟。

其中，第三、四階段柵極出現一個恒定的電壓，這種現象叫作米勒平臺或米勒電壓。這段時間，柵極的充電過程是由CGC決定的。VCE不斷降低，電流IGC通過CGC給柵極放電，這部分電流需要驅動電流IDirver來補償。

三、IGBT電容如何測試

1、測試設備

Keysight B1505A 功率器件分析儀/曲線追蹤儀、N1272A和N1273A組件。

Keysight B1505A是一個功能強大的測量和表征工具，通過連接N1272A和N1273A組件，能夠完成IGBT器件CV測試。

2、測試頻率的選擇

由于測試電路中必然存在雜散電感和電容，如果將測試電路簡化為一個RCL串聯電路，那么穩態時，電壓和電流的關系為

，化簡即：

在模塊封裝和測試電路中，電感L的數量級一般為nH級，器件結電容C的數量級一般為nF級，當測試選擇f=1MHz時，

是

的10^3-10^6倍，L可忽略，只側重電容C的值。

3、測試過程與結果

在完成設備自身的電容校準和補償后，B1505A可以生成一個電容校準文件。測試時，調用此文件進行設備配置，可完成高精度的測量。

①輸入電容Cies

IGBT器件與設備正確連接后，根據測試條件，將VGS設置為0V，頻率設置為1MHz，調整VCE電壓掃描范圍，開始測試。測試完后可得到VCE-Cies曲線，在曲線中某一VCE值對應的縱坐標即為Cies。下圖分別為測試電路和測試圖：

由于Cies=CGC+CGE，為了消除CCE的影響，器件結電容C的數量級一般為nF級，在CE兩端并聯一個1uF的電容，那么CCE和此電容并聯所得的電容約為1uF，屏蔽了CCE。并聯后的電容又與CGC串聯，1uF的電容又被CGC屏蔽了。輸入電容即為CGC和CGE并聯所得。

其中，電路中GE間的電阻（100kΩ）作用是虛短路，防止IGBT狀態的不穩定。CE間的電阻（100kΩ）利用高阻抗性，避免電源部分對電路測量的影響。GE間的電容（100nF）是為了隔絕直流電壓直接加在設備上。

②同理，輸出電容Coes

由于Coes=CGC+CCE，考慮如何消除CGE的影響。直接使C極和E極短路，則CGC與CCE并聯，所得的電容值為Coes。

其中，GE和CE間的電容均為100nF，GE和CE間的電阻均為100kΩ。

③反向恢復電容Cres

其中，GE和CE間的電容均為100nF，GE和CE間的電阻均為100kΩ。

將三條電容曲線放在一張圖中，則可得到下圖：

可以看出，IGBT的結電容隨著VCE的增大而逐漸減小，此現象尤其在低電壓0~5V時比較明顯。

一般認為，柵極通過氧化層與其它層之間的等效電容不隨電壓的變化而變化（包括柵極與芯片金屬層之間的C1，柵極與N-區之間的C2，柵極和P溝道之間的C3，以及柵極與N+發射區之間的C4）。

半導體內部其他電容是空間電荷區作用的結果，會隨著電壓的變化而變化（包括半導體材料上表面與N-區之間的C5，與P溝道之間的C6，以及P溝道和N-區之間的C7）。這些電容可等效為電壓控制的平面電容器。根據下式，

其中，A為電容器的表面積（cm2）;d為空間電荷區的寬度（cm），C為電容（F）。

所以電容與電壓的大小和載流子的濃度有關，隨著VCE的增大，pn結不斷耗盡，耗盡層越來越寬，相當于寬度d變大，反應到電容上就是呈現逐漸減小的趨勢。