MOSFET IGBT概述及區(qū)別-MOSFET和IGBT絕緣柵極隔離驅(qū)動技術(shù)分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-07-05
本文主要介紹MOSFET和IGBT絕緣柵極隔離驅(qū)動技術(shù)，我們先簡單的介紹一下MOSFET和IGBT是什么。
1、MOSFET概述
金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱尚包括NMOS、PMOS等。
2、MOSFET結(jié)構(gòu)
下圖是典型平面N溝道增強型NMOSFET的剖面圖。它用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底，在其面上擴散了兩個N型區(qū)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層，最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極：G(柵極）、S（源極）及D（漏極），如圖所示。
從圖1中可以看出柵極G與漏極D及源極S是絕緣的，D與S之間有兩個PN結(jié)。一般情況下，襯底與源極在內(nèi)部連接在一起，這樣，相當(dāng)于D與S之間有一個PN結(jié)。
上圖是常見的N溝道增強型MOSFET的基本結(jié)構(gòu)圖。為了改善某些參數(shù)的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導(dǎo)通電阻、提高開關(guān)特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝，構(gòu)成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結(jié)構(gòu)。
1、IGBT概述
IGBT，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。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。
2、IGBT結(jié)構(gòu)
如圖所示，左邊所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極（即發(fā)射極E）。N基極稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極（即門極G）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在C、E兩極之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極（即集電極C）。
IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。
MOSFET以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的表態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和需要關(guān)斷時需要一定的動態(tài)驅(qū)動功率。小
功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之內(nèi)，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大。一般在1-100nF之間，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg，柵極驅(qū)動功率往往是不可忽視的。
因IGBT具有電流拖尾效應(yīng)，在關(guān)斷時要求更好的抗干擾性，需要負壓驅(qū)動。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時可以沒有負壓，但在干擾較重時，負壓關(guān)斷對于提高可靠性有很大好處。
為可靠驅(qū)動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當(dāng)驅(qū)動信號與功率器件不需要隔離時，驅(qū)動電路的設(shè)計是比較簡單的，目前也有了許多優(yōu)秀的驅(qū)動集成電路。
1、光電耦合器隔離的驅(qū)動器
光電耦合器的優(yōu)點是體積小巧，缺點是：A、反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于300ns);B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。
2、無源變壓器驅(qū)動
用脈沖變壓器隔離驅(qū)動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅(qū)動。無源方法就是用變壓器次級的輸出直流驅(qū)動絕緣柵器件，這種方法很簡單也不需要單獨的驅(qū)動電源。缺點是輸出波型失真較大，因為絕緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大。減小失真的辦法是將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積，但在大功率下，一般仍不令人滿意。另一缺點是當(dāng)占空比變化較大時，輸出驅(qū)動脈沖的正負幅值變化太大，可能導(dǎo)致工作不正常，因此只適用于占空比變化不大的場合。
3、有源變壓器驅(qū)動
有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅(qū)動絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動波形較好，但是需要另外提供單獨的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當(dāng)，可能會引進寄生的干擾。
4、調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器
采用自給電源技術(shù)，只用一個變壓器，既省卻了輔助電源，又能得到較快的速度，當(dāng)然是不錯的方法。目前自給電源的產(chǎn)生有調(diào)制和從分時兩種方法。
調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對PWM驅(qū)動信號進行高頻(幾個MHZ以上)調(diào)制，并將調(diào)制信號加在隔離脈沖變壓器初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡單。調(diào)制式的另一缺點是PWM的解調(diào)要增加信號的延時，調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號。
5、分時型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動器
分時技術(shù)是一種較新的技術(shù)，其原理是，將信號和能量的傳送采取分別進行的方法，即在變壓器輸入PWM信號的上升和下降沿傳遞信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅(qū)動所需要的能量。由于在PWM信號的上升和下降沿只傳遞信號，基本沒有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時和畸變都很小，能獲得陡峭的驅(qū)動輸出脈沖。分時型自給電源驅(qū)動器的不足是用于低頻時變壓器的體積較大，此外由于自給能量的限制，驅(qū)動超過300A/1200V的IGBT比較困難。
從結(jié)構(gòu)來說，以N型溝道為例，IGBT與MOSFET（VDMOS）的差別在于MOSFET的襯底為N型，IGBT的襯底為P型。
從原理上說IGBT相當(dāng)與一個mosfet和一個BIpolar的組合，通過背面P型層的空穴注入降低器件的導(dǎo)通電阻，但同時也會引入一些拖尾電流等問題。
從產(chǎn)品來說，IGBT一般用在高壓功率產(chǎn)品上，從600V到幾千伏都有；MOSFET應(yīng)用電壓相對較低從十幾伏到1000左右。
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