igbt與mosfet的區別
什么是mosfet

mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場(chǎng)效應晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。mosfet的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，這個(gè)兩個(gè)區是一樣的，即使兩端對調也不會(huì )影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱(chēng)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)效應管組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大;mosfet驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，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(guān)和mosfet有點(diǎn)相像，常見(jiàn)生產(chǎn)廠(chǎng)家有富士，仙童等，模塊的產(chǎn)品一般內部封裝了數個(gè)單的igbt，內部聯(lián)接成適合的電路。

igbt與mosfet在結構上的區別

igbt結構及工作原理

一、igbt結構

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的結構、簡(jiǎn)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)的內部結構斷面示意圖。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，形成丁一個(gè)大面積的PN結J1。由于IGBT導通時(shí)由P+注入區向N基區發(fā)射少子，因而對漂移區電導率進(jìn)行調制，可仗IGBT具有很強的通流能力。介于P+注入區與N-漂移區之間的N+層稱(chēng)為緩沖區。有無(wú)緩沖區決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區的IGBT稱(chēng)為非對稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時(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較弱。無(wú)N-緩沖區的IGBT稱(chēng)為對稱(chēng)型IGBT，也稱(chēng)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(chēng)型IGBT。

如圖b所示的簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是由GTR與MOSFET組成的達林頓結構，該結構中的部分是MOSFET驅動(dòng)，另一部分是厚基區PNP型晶體管。

二、igbt工作原理

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT相當于一個(gè)由MOSFET驅動(dòng)的厚基區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晶體管基區內的調制電阻。從該等效電路可以清楚地看出，IGBT是用晶體管和MOSFET組成的達林頓結構的復合器件。岡為圖中的晶體管為PNP型晶體管，MOSFET為N溝道場(chǎng)效應晶體管，所以這種結構的IGBT稱(chēng)為N溝道IIGBT，其符號為N-IGBT。類(lèi)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(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，當柵射電壓UCE為正且大于開(kāi)啟電壓UCE（th）時(shí)，MOSFET內形成溝道并為PNP型晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導通，此時(shí)，從P+區注入N-的空穴（少數載流子）對N-區進(jìn)行電導調制，減小N-區的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。當柵射極間不加信號或加反向電壓時(shí)，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。由此可知，IGBT的驅動(dòng)原理與MOSFET基本相同。

①當UCE為負時(shí)：J3結處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。

②當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(mén)極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區產(chǎn)生電導調制，使器件正向導通。

1)導通

IGBT硅片的結構與功率MOSFET的結構十分相似，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驅動(dòng)兩個(gè)雙極器件（有兩個(gè)極性的器件）?；膽迷诠荏w的P、和N+區之間創(chuàng )建了一個(gè)J，結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時(shí)，一個(gè)N溝道便形成，同時(shí)出現一個(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，則J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整N-與N+之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動(dòng)了第二個(gè)電荷流。最后的結果是在半導體層次內臨時(shí)出現兩種不同的電流拓撲：一個(gè)電子流（MOSFET電流）；一個(gè)空穴電流（雙極）。當UCE大于開(kāi)啟電壓UCE(th），MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

2)導通壓降

電導調制效應使電阻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

當在柵極施加一個(gè)負偏壓或柵壓低于門(mén)限值時(shí)，溝道被禁止，沒(méi)有空穴注入N-區內。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層內還存在少數的載流子（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)的數量和拓撲，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、交叉導通問(wèn)題，特別是在使用續流二極管的設備上，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，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。當柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內的溝道消失，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-區擴展。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)機制十分重要。另外，如果過(guò)大地增加這個(gè)區域的尺寸，就會(huì )連續地提高壓降。

5)正向阻斷

當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，J，結受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區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 )導通。這種現象會(huì )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(huì )引起器件擊穿問(wèn)題。晶閘管導通現象被稱(chēng)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管結構、符號及工作原理

一、mosfet管結構、符號

二、mosfet工作原理

MOS管的工作原理(以N溝道增強型MOS場(chǎng)效應管)它是利用VGS來(lái)控制“感應電荷”的多少，以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況，然后達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大量正離子，故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時(shí)，溝道內被感應的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著(zhù)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、效應管的特點(diǎn)：

場(chǎng)效應管的突出優(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)效應管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離（導電體到另一導電體間的表面距離）較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導電而損壞機器或危害人身安全。

2、igbt的特點(diǎn)：

igbt即雙極型絕緣效應管，符號及等效電路圖見(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。

場(chǎng)效應管逆變焊機的特點(diǎn)

由于場(chǎng)效應管的突出優(yōu)點(diǎn)，用場(chǎng)效應管作逆變器的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，可以把開(kāi)關(guān)頻率設計得很高，以提高轉換效率和節省成本，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(wú)論弧焊機還是切割機，它們的工作電流都很大。使用一個(gè)場(chǎng)效應管滿(mǎn)足不了焊機對電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來(lái)提高焊機電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩定性和可靠性。

igbt焊機的特點(diǎn)

igbt焊機指的是使用igbt作為逆變器開(kāi)關(guān)器件的弧焊機。由于igbt的開(kāi)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(chǎng)效應管焊機有很大不同，不但體積增大，各類(lèi)技術(shù)參數也改變了。

igbt焊機工作原理

1、半橋逆變電路工作原理如圖所示

工作原理：

①tl時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1導通，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，負截無(wú)電流通過(guò)（死區）。

③t3時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1截止，K2導通，電容C2向負載放電。

④t4時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1、K2均截止，又形成死區。如此反復在負載上就得到了如圖所示的電流，實(shí)現了逆變的目的。

2、igbt焊機的工作原理

①電源供給：

和場(chǎng)效應管作逆變開(kāi)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(kāi)關(guān)，其開(kāi)通與關(guān)閉由驅動(dòng)信號控制。

③驅動(dòng)信號的產(chǎn)生：

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

④保護電路：

IGBT焊機也設置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)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(chǎng)效應管焊機相似。

MOS管的主要特性

一、導通電阻的降低

INFINEON的內建橫向電場(chǎng)的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導通電阻分別下 降到常規MOSFET的1/5， 1/10；相同的額定電流，導通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結溫、額定電流條件下，導通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導通損耗下降到常規MOSFET的1/2和1/3。由于導通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對較涼，故稱(chēng)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MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規格。由于COOLMOS管芯厚度僅為常規MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規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)參數均優(yōu)于常規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MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，IAS和EAS則均大于常規 MOSFET。

COOLMOS的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區（SCSOA），而常規MOS不具備這個(gè)特性。 COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉移特性如圖所示。從圖可以看到，當VGS＞8V 時(shí)，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結溫時(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。

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