詳解igbt與mosfet的區(qū)別-igbt與mosfet的工作原理及其他知識大全-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-09-17
mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。mosfet的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。
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(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;mosfet驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。我們常見的IGBT又分單管和模塊兩種，單管的外觀和mosfet有點相像，常見生產(chǎn)廠家有富士，仙童等，模塊的產(chǎn)品一般內(nèi)部封裝了數(shù)個單的igbt，內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。
一、igbt結(jié)構(gòu)
igbt是一個三端器件，它擁有柵極G、集電極c和發(fā)射極E。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。
如圖所示為N溝道VDMOSFFT與GTR組合的N溝道IGBT(N-IGBT)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成丁一個大面積的PN結(jié)J1。由于IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，因而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，可仗IGBT具有很強的通流能力。介于P+注入?yún)^(qū)與N-漂移區(qū)之間的N+層稱為緩沖區(qū)。有無緩沖區(qū)決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區(qū)的IGBT稱為非對稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬?dāng)鄷r間短、關(guān)斷時尾部電流小等優(yōu)點，但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對稱型IGBT，也稱非穿通型IGBT。它具有較強的正反向阻斷能力，但它的其他特性卻不及非對稱型IGBT。
如圖b所示的簡化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的部分是MOSFET驅(qū)動，另一部分是厚基區(qū)PNP型晶體管。
二、igbt工作原理
簡單來說，IGBT相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP型晶體管，它的簡化等效電路如圖2-42(b)所示，圖中的RN為PNP晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的復(fù)合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場效應(yīng)晶體管，所以這種結(jié)構(gòu)的IGBT稱為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT，即P- IGBT。
IGBT的電氣圖形符號如圖2-42(c)所示。IGBT是—種場控器件，它的開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間電壓UGE決定，當(dāng)柵射電壓UCE為正且大于開啟電壓UCE（th）時，MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進而使IGBT導(dǎo)通，此時，從P+區(qū)注入N-的空穴（少數(shù)載流子）對N-區(qū)進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當(dāng)柵射極間不加信號或加反向電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅(qū)動原理與MOSFET基本相同。
①當(dāng)UCE為負(fù)時：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。
②當(dāng)uCE為正時：UC< UTH，溝道不能形成，器件呈正向阻斷狀態(tài)；UG>UTH，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?/span>
1)導(dǎo)通
IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是JGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分)，其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件（有兩個極性的器件）?；膽?yīng)用在管體的P、和N+區(qū)之間創(chuàng)建了一個J，結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道便形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€電子流（MOSFET電流）；一個空穴電流（雙極）。當(dāng)UCE大于開啟電壓UCE(th），MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。
2)導(dǎo)通壓降
電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，通態(tài)壓降小。所謂通態(tài)壓降，是指IGBT進入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS，這個電壓隨UCS上升而下降。
3)關(guān)斷
當(dāng)在柵極施加一個負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET的電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是閡為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少于）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形。集電極電流將引起功耗升高、交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。
鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的Tc、IC：和uCE密切相關(guān)，并且與空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。
4)反向阻斷
當(dāng)集電極被施加一個反向電壓時，J，就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以這個機制十分重要。另外，如果過大地增加這個區(qū)域的尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。
5)正向阻斷
當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，J，結(jié)受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)巾的耗盡層承受外部施加的電壓。
6)閂鎖
ICBT在集電極與發(fā)射極之間有—個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體來說，產(chǎn)生這種缺陷的原因各不相同，但與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。
一、mosfet管結(jié)構(gòu)、符號
二、mosfet工作原理
MOS管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應(yīng)管)它是利用VGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。在制造管子時，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
常用的功率開關(guān)有晶閘管、IGBT、場效應(yīng)管等。其中，晶閘管（可控硅）的開關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開關(guān)電路。
1、效應(yīng)管的特點：
場效應(yīng)管的突出優(yōu)點在于其極高的開關(guān)頻率，其每秒鐘可開關(guān)50萬次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃（管芯），而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，是理想的開關(guān)器件，尤其適合在高頻電路中作開關(guān)器件使用。
但是場效應(yīng)管的工作電流較小，高的約20A低的一般在9A左右，限制了電路中的最大電流，而且由于場效應(yīng)管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離（導(dǎo)電體到另一導(dǎo)電體間的表面距離）較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機器或危害人身安全。
2、igbt的特點：
igbt即雙極型絕緣效應(yīng)管，符號及等效電路圖見圖，其開關(guān)頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過大電流（100A以上），而且由于外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。
場效應(yīng)管逆變焊機的特點
由于場效應(yīng)管的突出優(yōu)點，用場效應(yīng)管作逆變器的開關(guān)器件時，可以把開關(guān)頻率設(shè)計得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本，使用高頻率變壓器以減小焊機的體積，使焊機向小型化，微型化方便使用。但無論弧焊機還是切割機，它們的工作電流都很大。使用一個場效應(yīng)管滿足不了焊機對電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來提高焊機電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
igbt焊機指的是使用igbt作為逆變器開關(guān)器件的弧焊機。由于igbt的開關(guān)頻率較低，電流大，焊機使用的主變壓器、濾波、儲能電容、電抗器等電子器件都較場效應(yīng)管焊機有很大不同，不但體積增大，各類技術(shù)參數(shù)也改變了。
1、半橋逆變電路工作原理如圖所示
工作原理：
①tl時間：開關(guān)K1導(dǎo)通，K2截止，電流方向如圖中①，電源給主變T供電，并給電容C2充電。
②t2時間：開關(guān)K1、K2都截止，負(fù)截?zé)o電流通過（死區(qū)）。
③t3時間：開關(guān)K1截止，K2導(dǎo)通，電容C2向負(fù)載放電。
④t4時間：開關(guān)K1、K2均截止，又形成死區(qū)。如此反復(fù)在負(fù)載上就得到了如圖所示的電流，實現(xiàn)了逆變的目的。
2、igbt焊機的工作原理
①電源供給：
和場效應(yīng)管作逆變開關(guān)的焊機一樣，焊機電源由市電供給，經(jīng)整流、濾波后供給逆變器。
②逆變：
由于igbt的工作電流大，可采用半橋逆變的形式，以igbt作為開關(guān)，其開通與關(guān)閉由驅(qū)動信號控制。
③驅(qū)動信號的產(chǎn)生：
驅(qū)動信號仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號的形式。使得兩路驅(qū)動信號的相位錯開（有死區(qū)），以防止兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通而產(chǎn)生過大電流損壞開關(guān)管。驅(qū)動信號的中點同樣下沉一定幅度，以防干擾使開關(guān)管誤導(dǎo)通。
④保護電路：
IGBT焊機也設(shè)置了過流、過壓、過熱保護等，有些機型也有截流，以保證焊機及人身安全，其工作原理與場效應(yīng)管焊機相似。
一、導(dǎo)通電阻的降低
INFINEON的內(nèi)建橫向電場的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下 降到常規(guī)MOSFET的1/5， 1/10；相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱COOLMOS。
二、封裝的減小和熱阻的降低
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個管殼規(guī)格。由于COOLMOS管芯厚度僅為常規(guī)MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)1℃/W降到0.6℃/W；額定功率從125W上升到208W，使管芯散熱能力提高。
三、開關(guān)特性的改善
COOLMOS的柵極電荷與開關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于QG，特別是QGD的減少，使COOLMOS的開關(guān)時間約為常 規(guī)MOSFET的1/2；開關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時間的下降也與COOLMOS內(nèi)部低柵極電阻(＜1Ω＝有關(guān)。
四、抗雪崩擊穿能力與SCSOA
目前，新型的MOSFET無一例外地具有抗雪崩擊穿能力。COOLMOS同樣具有抗雪崩能力。在相同額定電流 下，COOLMOS的IAS與ID25℃相同。但由于管芯面積的減小，IAS小于常規(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時，IAS和EAS則均大于常規(guī) MOSFET。
COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA），而常規(guī)MOS不具備這個特性。 COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。從圖可以看到，當(dāng)VGS＞8V 時，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時，恒流值下降，在最高結(jié)溫時，約為ID25℃的2倍，即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會因柵極的15V驅(qū)動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃，使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)到管殼，抑制了管芯溫度的上升速度。因 此，COOLMOS可在正常柵極電壓驅(qū)動，在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊，時間間隔大于1S，1000次不損壞，使COOLMOS可像 IGBT一樣，在短路時得到有效的保護。
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