MOSFET IGBT概述及區(qū)別-MOSFET和IGBT絕緣柵極隔離驅(qū)動(dòng)技術(shù)分析-KIA MOS管
信息來(lái)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(dòng)技術(shù)，我們先簡(jiǎn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(qiáng)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(kuò)散了兩個(gè)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(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)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(gè)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(gè)PN結(jié)。
上圖是常見(jiàn)的N溝道增強(qiáng)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(kāi)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(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。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(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
2、IGBT結(jié)構(gòu)
如圖所示，左邊所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(mén)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(jìn)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(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓形成溝道，給PNP(原來(lái)為NPN)晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門(mén)極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)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(duì)N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-層的電阻，使IGBT在高電壓時(shí)，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(guò)，因而低頻的表態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個(gè)柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開(kāi)通和需要關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小
功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之內(nèi)，對(duì)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(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。更由于漏極到柵極的密勒電容Cdg，柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)要求更好的抗干擾性，需要負(fù)壓驅(qū)動(dòng)。MOSFET速度比較快，關(guān)斷時(shí)可以沒(méi)有負(fù)壓，但在干擾較重時(shí)，負(fù)壓關(guān)斷對(duì)于提高可靠性有很大好處。
為可靠驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率器件不需要隔離時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的，目前也有了許多優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)集成電路。
1、光電耦合器隔離的驅(qū)動(dòng)器
光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，缺點(diǎn)是：A、反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時(shí)間(高速型光耦一般也大于300ns);B、光電耦合器的輸出級(jí)需要隔離的輔助電源供電。
2、無(wú)源變壓器驅(qū)動(dòng)
用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件有三種方法：無(wú)源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)。無(wú)源方法就是用變壓器次級(jí)的輸出直流驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單也不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源。缺點(diǎn)是輸出波型失真較大，因?yàn)榻^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(jí)的輸入信號(hào)改為具有一定功率的大信號(hào)，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(diǎn)是當(dāng)占空比變化較大時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的正負(fù)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(chǎng)合。
3、有源變壓器驅(qū)動(dòng)
有源方法中的變壓器只提供隔離的信號(hào)，在次級(jí)另有整形放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)波形較好，但是需要另外提供單獨(dú)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(huì)引進(jìn)寄生的干擾。
4、調(diào)制型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器
采用自給電源技術(shù)，只用一個(gè)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(cuò)的方法。目前自給電源的產(chǎn)生有調(diào)制和從分時(shí)兩種方法。
調(diào)制技術(shù)是比較經(jīng)典的方法，即對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高頻(幾個(gè)MHZ以上)調(diào)制，并將調(diào)制信號(hào)加在隔離脈沖變壓器初級(jí)，在次級(jí)通過(guò)直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號(hào)則需經(jīng)過(guò)解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡(jiǎn)單。調(diào)制式的另一缺點(diǎn)是PWM的解調(diào)要增加信號(hào)的延時(shí)，調(diào)制方式適于傳遞較低頻率的PWM信號(hào)。
5、分時(shí)型自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器
分時(shí)技術(shù)是一種較新的技術(shù)，其原理是，將信號(hào)和能量的傳送采取分別進(jìn)行的方法，即在變壓器輸入PWM信號(hào)的上升和下降沿傳遞信息，在輸入信號(hào)的平頂階段傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量。由于在PWM信號(hào)的上升和下降沿只傳遞信號(hào)，基本沒(méi)有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖的延時(shí)和畸變都很小，能獲得陡峭的驅(qū)動(dòng)輸出脈沖。分時(shí)型自給電源驅(qū)動(dòng)器的不足是用于低頻時(shí)變壓器的體積較大，此外由于自給能量的限制，驅(qū)動(dòng)超過(guò)300A/1200V的IGBT比較困難。
從結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(shuō)IGBT相當(dāng)與一個(gè)mosfet和一個(gè)BIpolar的組合，通過(guò)背面P型層的空穴注入降低器件的導(dǎo)通電阻，但同時(shí)也會(huì)引入一些拖尾電流等問(wèn)題。
從產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，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(duì)較低從十幾伏到1000左右。
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