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详解igbt與mosfet的區別-igbt与mosfet的工作原理及其他知识大全-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-09-17 

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igbt與mosfet的區別
什麽是mosfet

mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—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,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。

什麽是igbt

igbt(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS绝缘栅型場效應管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。我们常见的IGBT又分单管和模块两种,单管的外观和mosfet有点相像,常见生产厂家有富士,仙童等,模块的产品一般内部封装了数个单的igbt,内部联接成适合的电路。

igbt與mosfet在結構上的區別

igbt結構及工作原理

一、igbt結構

igbt是一個三端器件,它擁有柵極G、集電極c和發射極E。IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。

如圖所示爲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,形成丁一個大面積的PN結J1。由于IGBT導通時由P+注入區向N基區發射少子,因而對漂移區電導率進行調制,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+層稱爲緩沖區。有無緩沖區決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區的IGBT稱爲非對稱型IGBT,也稱穿通型IGBT。它具有正向壓降小、犬斷時間短、關斷時尾部電流小等優點,但其反向阻斷能力相對較弱。無N-緩沖區的IGBT稱爲對稱型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組成的達林頓結構,該結構中的部分是MOSFET驅動,另一部分是厚基區PNP型晶體管。

igbt與mosfet的區別

二、igbt工作原理

简单来说,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管,它的简化等效电路如图2-42(b)所示,图中的RN为PNP晶体管基区内的调制电阻。从该等效电路可以清楚地看出,IGBT是用晶体管和MOSFET组成的达林顿结构的复合器件。冈为图中的晶体管为PNP型晶体管,MOSFET为N沟道场效应晶体管,所以这种结构的IGBT称为N沟道IIGBT,其符号为N-IGBT。类似地还有P沟道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,它的開通和關斷由柵極和發射極間電壓UGE決定,當柵射電壓UCE爲正且大于開啓電壓UCE(th)時,MOSFET內形成溝道並爲PNP型晶體管提供基極電流進而使IGBT導通,此時,從P+區注入N-的空穴(少數載流子)對N-區進行電導調制,減小N-區的電阻RN,使高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。當柵射極間不加信號或加反向電壓時,MOSFET內的溝道消失,PNP型晶體管的基極電流被切斷,IGBT即關斷。由此可知,IGBT的驅動原理與MOSFET基本相同。

①當UCE爲負時:J3結處于反偏狀態,器件呈反向阻斷狀態。

②当uCE为正时:UC< UTH,沟道不能形成,器件呈正向阻断状态;UG>UTH,绝缘门极下形成N沟道,由于载流子的相互作用,在N-区产生电导调制,使器件正向导通。

1)導通

IGBT矽片的結構與功率MOSFET的結構十分相似,主要差異是JGBT增加了P+基片和一個N+緩沖層(NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分),其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件(有兩個極性的器件)。基片的應用在管體的P、和N+區之間創建了一個J,結。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區時,一個N溝道便形成,同時出現一個電子流,並完全按照功率MOSFET的方式産生一股電流。如果這個電子流産生的電壓在0.7V範圍內,則J1將處于正向偏壓,一些空穴注入N-區內,並調整N-與N+之間的電阻率,這種方式降低了功率導通的總損耗,並啓動了第二個電荷流。最後的結果是在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲:一個電子流(MOSFET電流);一個空穴電流(雙極)。當UCE大于開啓電壓UCE(th),MOSFET內形成溝道,爲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,通態壓降小。所謂通態壓降,是指IGBT進入導通狀態的管壓降UDS,這個電壓隨UCS上升而下降。

3)關斷

當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時,溝道被禁止,沒有空穴注入N-區內。在任何情況下,如果MOSFET的電流在開關階段迅速下降,集電極電流則逐漸降低,這是閡爲換向開始後,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,完全取決于關斷時電荷的密度,而密度又與幾種因素有關,如摻雜質的數量和拓撲,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、交叉導通問題,特別是在使用續流二極管的設備上,問題更加明顯。

鑒于尾流與少子的重組有關,尾流的電流值應與芯片的Tc、IC:和uCE密切相關,並且與空穴移動性有密切的關系。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。當柵極和發射極間施加反壓或不加信號時,MOSFET內的溝道消失,晶體管的基極電流被切斷,IGBT關斷。

4)反向阻斷

當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域的尺寸,就會連續地提高壓降。

5)正向阻斷

當柵極和發射極短接並在集電極端子施加一個正電壓時,J,結受反向電壓控制。此時,仍然是由N漂移區巾的耗盡層承受外部施加的電壓。

6)闩鎖

ICBT在集電極與發射極之間有—個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下,這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發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。晶閘管導通現象被稱爲IGBT闩鎖。具體來說,産生這種缺陷的原因各不相同,但與器件的狀態有密切關系。

mosfet管結構、符號及工作原理

一、mosfet管結構、符號

igbt與mosfet的區別

igbt與mosfet的區別

二、mosfet工作原理

MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS場效應管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少,以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况,然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时,通过工艺使绝缘层中出现大量正离子,故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷,这些负电荷把高渗杂质的N区接通,形成了导电沟道,即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时,沟道内被感应的电荷量也改变,导电沟道的宽窄也随之而变,因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

功率開關管的比較

常用的功率开关有晶闸管、IGBT、場效應管等。其中,晶闸管(可控硅)的开关频率最低约1000次/秒左右,一般不适用于高频工作的开关电路。

1、效應管的特點:

場效應管的突出优点在于其极高的开关频率,其每秒钟可开关50万次以上,耐压一般在500V以上,耐温150℃(管芯),而且导通电阻,管子损耗低,是理想的开关器件,尤其适合在高频电路中作开关器件使用。

但是場效應管的工作电流较小,高的约20A低的一般在9A左右,限制了电路中的最大电流,而且由于場效應管的封装形式,使得其引脚的爬电距离(导电体到另一导电体间的表面距离)较小,在环境高压下容易被击穿,使得引脚间导电而损坏机器或危害人身安全。

2、igbt的特點:

igbt即雙極型絕緣效應管,符號及等效電路圖見圖,其開關頻率在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,能抵禦環境高壓的影響,安全可靠。

igbt與mosfet的區別

場效應管逆变焊机的特点

由于場效應管的突出优点,用場效應管作逆变器的开关器件时,可以把开关频率设计得很高,以提高转换效率和节省成本,使用高频率变压器以减小焊机的体积,使焊机向小型化,微型化方便使用。但无论弧焊机还是切割机,它们的工作电流都很大。使用一个場效應管满足不了焊机对电流的需求,一般采用多只并联的形式来提高焊机电源的输出电流。这样既增加了成本,又降低了电路的稳定性和可靠性。

igbt焊機的特點

igbt焊机指的是使用igbt作为逆变器开关器件的弧焊机。由于igbt的开关频率较低,电流大,焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较場效應管焊机有很大不同,不但体积增大,各类技术参数也改变了。

igbt焊機工作原理

1、半橋逆變電路工作原理如圖所示

igbt與mosfet的區別

工作原理:

①tl時間:開關K1導通,K2截止,電流方向如圖中①,電源給主變T供電,並給電容C2充電。

②t2時間:開關K1、K2都截止,負截無電流通過(死區)。

③t3時間:開關K1截止,K2導通,電容C2向負載放電。

④t4時間:開關K1、K2均截止,又形成死區。如此反複在負載上就得到了如圖所示的電流,實現了逆變的目的。

2、igbt焊機的工作原理

①電源供給:

和場效應管作逆变开关的焊机一样,焊机电源由市电供给,经整流、滤波后供给逆变器。

②逆變:

由于igbt的工作電流大,可采用半橋逆變的形式,以igbt作爲開關,其開通與關閉由驅動信號控制。

③驅動信號的産生:

驅動信號仍然采用處理脈寬調制器輸出信號的形式。使得兩路驅動信號的相位錯開(有死區),以防止兩個開關管同時導通而産生過大電流損壞開關管。驅動信號的中點同樣下沈一定幅度,以防幹擾使開關管誤導通。

④保護電路:

IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等,有些机型也有截流,以保证焊机及人身安全,其工作原理与場效應管焊机相似。

MOS管的主要特性

一、導通電阻的降低

INFINEON的内建横向电场的MOSFET,耐压600V和800V,与常规MOSFET器件相比,相同的管芯面积,导通电阻分别下 降到常规MOSFET的1/5, 1/10;相同的额定电流,导通电阻分别下降到1/2和约1/3。在额定结温、额定电流条件下,导通电压分别从12.6V,19.1V下降到 6.07V,7.5V;导通损耗下降到常规MOSFET的1/2和1/3。由于导通损耗的降低,发热减少,器件相对较凉,故称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,使封裝減小兩個管殼規格。由于COOLMOS管芯厚度僅爲常規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、開關特性的改善

COOLMOS的栅极电荷与开关参数均优于常规MOSFET,很明显,由于QG,特别是QGD的减少,使COOLMOS的开关时间约为常 规MOSFET的1/2;开关损耗降低约50%。关断时间的下降也与COOLMOS内部低栅极电阻(<1Ω=有关。

四、抗雪崩擊穿能力與SCSOA

目前,新型的MOSFET无一例外地具有抗雪崩击穿能力。COOLMOS同样具有抗雪崩能力。在相同额定电流 下,COOLMOS的IAS与ID25℃相同。但由于管芯面积的减小,IAS小于常规MOSFET,而具有相同管芯面积时,IAS和EAS则均大于常规 MOSFET。

COOLMOS的最大特点之一就是它具有短路安全工作区(SCSOA),而常规MOS不具备这个特性。 COOLMOS的SCSOA的获得主要是由于转移特性的变化和管芯热阻降低。COOLMOS的转移特性如图所示。从图可以看到,当VGS>8V 时,COOLMOS的漏极电流不再增加,呈恒流状态。特别是在结温升高时,恒流值下降,在最高结温时,约为ID25℃的2倍,即正常工作电流的3-3.5 倍。在短路状态下,漏极电流不会因栅极的15V驱动电压而上升到不可容忍的十几倍的ID25℃,使COOLMOS在短路时所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃,尽可能地减少短路时管芯发热。管芯热阻降低可使管芯产生的热量迅速地散发到管壳,抑制了管芯温度的上升速度。因 此,COOLMOS可在正常栅极电压驱动,在0.6VDSS电源电压下承受10ΜS短路冲击,时间间隔大于1S,1000次不损坏,使COOLMOS可像 IGBT一样,在短路时得到有效的保护。

igbt與mosfet的區別




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