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詳解igbt與mosfet的區(qū)別-igbt與mosfet的工作原理及其他知識(shí)大全-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2018-09-17 

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igbt與mosfet的區(qū)別
什么是mosfet

mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)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(duì)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

什么是igbt

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(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;mosfet驅(qū)動(dòng)功率很小,開(kāi)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(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。我們常見(jiàn)的IGBT又分單管和模塊兩種,單管的外觀和mosfet有點(diǎn)相像,常見(jiàn)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(gè)單的igbt,內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。

igbt與mosfet在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

igbt結(jié)構(gòu)及工作原理

一、igbt結(jié)構(gòu)

igbt是一個(gè)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(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)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(gè)大面積的PN結(jié)J1。由于IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子,因而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制,可仗IGBT具有很強(qiáng)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(wú)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(duì)稱型IGBT,也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬?dāng)鄷r(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小等優(yōu)點(diǎn),但其反向阻斷能力相對(duì)較弱。無(wú)N-緩沖區(qū)的IGBT稱為對(duì)稱型IGBT,也稱非穿通型IGBT。它具有較強(qiáng)的正反向阻斷能力,但它的其他特性卻不及非對(duì)稱型IGBT。

如圖b所示的簡(jiǎn)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(dòng),另一部分是厚基區(qū)PNP型晶體管。

igbt與mosfet的區(qū)別

二、igbt工作原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管,它的簡(jiǎn)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(chǎng)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(hào)為N-IGBT。類似地還有P溝道IGBT,即P- IGBT。

IGBT的電氣圖形符號(hào)如圖2-42(c)所示。IGBT是—種場(chǎng)控器件,它的開(kāi)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(kāi)啟電壓UCE(th)時(shí),MOSFET內(nèi)形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通,此時(shí),從P+區(qū)注入N-的空穴(少數(shù)載流子)對(duì)N-區(qū)進(jìn)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(hào)或加反向電壓時(shí),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(dòng)原理與MOSFET基本相同。

①當(dāng)UCE為負(fù)時(shí):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(shí):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(gè)N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒(méi)有增加這個(gè)部分),其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)兩個(gè)雙極器件(有兩個(gè)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(gè)J,結(jié)。當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí),一個(gè)N溝道便形成,同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)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(gè)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(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFET電流);一個(gè)空穴電流(雙極)。當(dāng)UCE大于開(kāi)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(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的管壓降UDS,這個(gè)電壓隨UCS上升而下降。

3)關(guān)斷

當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí),溝道被禁止,沒(méi)有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下,如果MOSFET的電流在開(kāi)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(kāi)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(shí)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)洌瑢哟魏穸群蜏囟?。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(wèn)題,特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上,問(wèn)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(dòng)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(jì)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(hào)時(shí),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(gè)反向電壓時(shí),J,就會(huì)受到反向偏壓控制,耗盡層則會(huì)向N-區(qū)擴(kuò)展。因過(guò)多地降低這個(gè)層面的厚度,將無(wú)法取得一個(gè)有效的阻斷能力,所以這個(gè)機(jī)制十分重要。另外,如果過(guò)大地增加這個(gè)區(qū)域的尺寸,就會(huì)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(gè)正電壓時(shí),J,結(jié)受反向電壓控制。此時(shí),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(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下,這種寄生器件會(huì)導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會(huì)使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加,對(duì)等效MOSFET的控制能力降低,通常還會(huì)引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖。具體來(lái)說(shuō),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。

mosfet管結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作原理

一、mosfet管結(jié)構(gòu)、符號(hào)

igbt與mosfet的區(qū)別

igbt與mosfet的區(qū)別

二、mosfet工作原理

MOS管的工作原理(以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管)它是利用VGS來(lái)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(shí),通過(guò)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(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí),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。

功率開(kāi)關(guān)管的比較

常用的功率開(kāi)關(guān)有晶閘管、IGBT、場(chǎng)效應(yīng)管等。其中,晶閘管(可控硅)的開(kāi)關(guān)頻率最低約1000次/秒左右,一般不適用于高頻工作的開(kāi)關(guān)電路。

1、效應(yīng)管的特點(diǎn):

場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)在于其極高的開(kāi)關(guān)頻率,其每秒鐘可開(kāi)關(guān)50萬(wàn)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(kāi)關(guān)器件,尤其適合在高頻電路中作開(kāi)關(guān)器件使用。

但是場(chǎng)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(chǎng)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(jī)器或危害人身安全。

2、igbt的特點(diǎn):

igbt即雙極型絕緣效應(yīng)管,符號(hào)及等效電路圖見(jiàn)圖,其開(kāi)關(guān)頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過(guò)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。

igbt與mosfet的區(qū)別

場(chǎng)效應(yīng)管逆變焊機(jī)的特點(diǎn)

由于場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管作逆變器的開(kāi)關(guān)器件時(shí),可以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)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(jī)的體積,使焊機(jī)向小型化,微型化方便使用。但無(wú)論弧焊機(jī)還是切割機(jī),它們的工作電流都很大。使用一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管滿足不了焊機(jī)對(duì)電流的需求,一般采用多只并聯(lián)的形式來(lái)提高焊機(jī)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(jī)的特點(diǎn)

igbt焊機(jī)指的是使用igbt作為逆變器開(kāi)關(guān)器件的弧焊機(jī)。由于igbt的開(kāi)關(guān)頻率較低,電流大,焊機(jī)使用的主變壓器、濾波、儲(chǔ)能電容、電抗器等電子器件都較場(chǎng)效應(yīng)管焊機(jī)有很大不同,不但體積增大,各類技術(shù)參數(shù)也改變了。

igbt焊機(jī)工作原理

1、半橋逆變電路工作原理如圖所示

igbt與mosfet的區(qū)別

工作原理:

①tl時(shí)間:開(kāi)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(shí)間:開(kāi)關(guān)K1、K2都截止,負(fù)截?zé)o電流通過(guò)(死區(qū))。

③t3時(shí)間:開(kāi)關(guān)K1截止,K2導(dǎo)通,電容C2向負(fù)載放電。

④t4時(shí)間:開(kāi)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(shí)現(xiàn)了逆變的目的。

2、igbt焊機(jī)的工作原理

①電源供給:

和場(chǎng)效應(yīng)管作逆變開(kāi)關(guān)的焊機(jī)一樣,焊機(jī)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(kāi)關(guān),其開(kāi)通與關(guān)閉由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。

③驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生:

驅(qū)動(dòng)信號(hào)仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號(hào)的形式。使得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位錯(cuò)開(kāi)(有死區(qū)),以防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生過(guò)大電流損壞開(kāi)關(guān)管。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的中點(diǎn)同樣下沉一定幅度,以防干擾使開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。

④保護(hù)電路:

IGBT焊機(jī)也設(shè)置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)等,有些機(jī)型也有截流,以保證焊機(jī)及人身安全,其工作原理與場(chǎng)效應(yīng)管焊機(jī)相似。

MOS管的主要特性

一、導(dǎo)通電阻的降低

INFINEON的內(nèi)建橫向電場(chǎng)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(duì)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(gè)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(kāi)關(guān)特性的改善

COOLMOS的柵極電荷與開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)間約為常 規(guī)MOSFET的1/2;開(kāi)關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時(shí)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(wú)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(shí),IAS和EAS則均大于常規(guī) MOSFET。

COOLMOS的最大特點(diǎn)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(gè)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(shí),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(shí),恒流值下降,在最高結(jié)溫時(shí),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(huì)因柵極的15V驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃,使COOLMOS在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃,盡可能地減少短路時(shí)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(dòng),在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊,時(shí)間間隔大于1S,1000次不損壞,使COOLMOS可像 IGBT一樣,在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。

igbt與mosfet的區(qū)別




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