igbt和電力mosfet在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開關(guān)特性

MOSFET工作原理

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)全稱金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。

首先以我們最常用的N溝道增強(qiáng)型MOSFET進(jìn)行分析

電氣符號如上圖所示

總共有三個電極S(source)源極，D(drain)漏極，G(grid)柵極，如圖所示，其中P區(qū)是一個雜志濃度低的P型硅材料作為襯底，其上有兩處高摻雜的N型區(qū)域，分別通過金屬鋁(圖中棕黃色)引出作為漏極和源極，通常將襯底和源極接在一起使用。相互隔離的兩個N區(qū)的表面覆蓋有金屬氧化物SiO2絕緣層，柵極與其他兩個電極被絕緣開來，因此該結(jié)構(gòu)稱之為絕緣柵型。

當(dāng)外部不加電壓時，內(nèi)部可視為兩個反向的PN結(jié)，無法導(dǎo)電;當(dāng)GS兩端施加一個電壓UGS>0時，對于P型襯底，靠近柵極G的空穴因為外電場的作用移動到下方，上方留下了很多自由電子，當(dāng)增大到某一個值UGS(th)時，此時外電場增強(qiáng)到吸引的電子數(shù)超過該處的空穴數(shù)以后(所以稱之為增強(qiáng)型)，與左右兩邊的高摻雜N區(qū)一起，形成了一個電子的導(dǎo)電溝道(所以稱之為N型)，如下圖所示。此時如果UDS間加正向電壓則將產(chǎn)生漏極電流。

P型襯底和漏極N區(qū)相當(dāng)于一個PN結(jié)，因此MOS都帶有反向寄生二極管，P型襯底和源極N去短接，因此這里的PN結(jié)不存在。

用作開關(guān)管時MOS管工作于可變電阻區(qū)，此時MOS管外特性可等效為一個很小的電阻，電阻大小受GS兩端電壓控制，要是MOS管工作于可變電阻區(qū)需要對外電路進(jìn)行分析，一般應(yīng)外加?xùn)旁措妷篤GS大于外電路負(fù)載線與最小電阻線交點(diǎn)所確定的臨界柵源電壓UGS(th)(具體可見陳堅電力電子學(xué)第三版P45)

IGBT工作原理

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全稱絕緣門極雙極型晶體管。是由BJT(雙極結(jié)型三極管)和MOSFET(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。電路符號如下圖所示。

IGBT也有三個電極，柵極G、發(fā)射極E和集電極C，其簡化等效電路如下所示，可以看成一個N溝道MOSFET和PNP型晶體管以達(dá)林頓形式復(fù)合而成。

當(dāng)UGE=0時，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，MOSFET處于斷態(tài)，Ic=0，;當(dāng)UGE>0時，提供了晶體管的基極電流ID，控制了IGBT集電極電流Ic，當(dāng)UGE足夠大時，T1飽和導(dǎo)通，IGBT進(jìn)入通態(tài)。

MOSFET和IGBT的異同

兩者都屬于電壓控制型器件。

MOSFET通、斷驅(qū)動控制功率很小，開關(guān)速度快，但是通態(tài)壓降大，導(dǎo)通損耗大，難以制成高壓大電流器件。

電力晶體管BJT通、斷驅(qū)動控制功率很大，開關(guān)速度不夠快，但通態(tài)壓降小，可以制成較高電壓和較大電流的開關(guān)元件。

因此IGBT結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)：高輸入阻抗，電壓控制、驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率一般小于MOSFET大于電力晶體管，可達(dá)到10-40kHz。

應(yīng)用場景

MOSFET：高頻低壓小功率

IGBT：中低頻高壓大功率

一般IGBT的驅(qū)動電壓比MOS管高一些