什么是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。這樣的器件被認為是對稱的。
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絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;mosfet驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。我們常見的IGBT又分單管和模塊兩種,單管的外觀和mosfet有點相像,常見生產廠家有富士,仙童等,模塊的產品一般內部封裝了數個單的igbt,內部聯接成適合的電路。
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+層稱為緩沖區。有無緩沖區決定了IGBT具有不同特性。有N*緩沖區的IGBT稱為非對稱型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稱為對稱型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。
二、igbt工作原理
簡單來說,IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP型晶體管,它的簡化等效電路如圖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溝道場效應晶體管,所以這種結構的IGBT稱為N溝道IIGBT,其符號為N-IGBT。類似地還有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為正且大于開啟電壓UCE(th)時,MOSFET內形成溝道并為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為負時:J3結處于反偏狀態,器件呈反向阻斷狀態。
②當uCE為正時:UC< UTH,溝道不能形成,器件呈正向阻斷狀態;UG>UTH,絕緣門極下形成N溝道,由于載流子的相互作用,在N-區產生電導調制,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,并完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在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,并啟動了第二個電荷流。最后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,這是閡為換向開始后,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,并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并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)閂鎖
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為IGBT閂鎖。具體來說,產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
二、mosfet工作原理
MOS管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應管)它是利用VGS來控制“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,通過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的N區接通,形成了導電溝道,即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時,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隨著柵極電壓的變化而變化。
功率開關管的比較
常用的功率開關有晶閘管、IGBT、場效應管等。其中,晶閘管(可控硅)的開關頻率最低約1000次/秒左右,一般不適用于高頻工作的開關電路。
1、效應管的特點:
場效應管的突出優點在于其極高的開關頻率,其每秒鐘可開關50萬次以上,耐壓一般在500V以上,耐溫150℃(管芯),而且導通電阻,管子損耗低,是理想的開關器件,尤其適合在高頻電路中作開關器件使用。
但是場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:
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,能抵御環境高壓的影響,安全可靠。
場效應管逆變焊機的特點
由于場效應管的突出優點,用場效應管作逆變器的開關器件時,可以把開關頻率設計得很高,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。但無論弧焊機還是切割機,它們的工作電流都很大。使用一個場效應管滿足不了焊機對電流的需求,一般采用多只并聯的形式來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
igbt焊機指的是使用igbt作為逆變器開關器件的弧焊機。由于igbt的開關頻率較低,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效應管焊機有很大不同,不但體積增大,各類技術參數也改變了。
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,并給電容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。如此反復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:
和場效應管作逆變開關的焊機一樣,焊機電源由市電供給,經整流、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作為開關,其開通與關閉由驅動信號控制。
③驅動信號的產生:
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產生過大電流損壞開關管。驅動信號的中點同樣下沉一定幅度,以防干擾使開關管誤導通。
④保護電路:
IGBT焊機也設置了過流、過壓、過熱保護等,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,發熱減少,器件相對較涼,故稱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、開關特性的改善
COOLMOS的柵極電荷與開關參數均優于常規MOSFET,很明顯,由于QG,特別是QGD的減少,使COOLMOS的開關時間約為常 規MOSFET的1/2;開關損耗降低約50%。關斷時間的下降也與COOLMOS內部低柵極電阻(<1Ω=有關。
四、抗雪崩擊穿能力與SCSOA
目前,新型的MOSFET無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,IAS和EAS則均大于常規 MOSFET。
COOLMOS的最大特點之一就是它具有短路安全工作區(SCSOA),而常規MOS不具備這個特性。 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,COOLMOS的漏極電流不再增加,呈恒流狀態。特別是在結溫升高時,恒流值下降,在最高結溫時,約為ID25℃的2倍,即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態下,漏極電流不會因柵極的15V驅動電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃,使COOLMOS在短路時所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃,盡可能地減少短路時管芯發熱。管芯熱阻降低可使管芯產生的熱量迅速地散發到管殼,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,在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊,時間間隔大于1S,1000次不損壞,使COOLMOS可像 IGBT一樣,在短路時得到有效的保護。
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