MOSFET IGBT概述及区别-MOSFET和IGBT绝缘栅极隔离驱动技术分析

本文(wen)主要介(jie)绍MOSFET和(he)IGBT绝缘栅(zha)极隔离驱(qu)动(dong)技术，我们先简(jian)单的介(jie)绍一下MOSFET和(he)IGBT是什么。

（一）MOSFET

1、MOSFET概述

金(jin)属-氧化物(wu)半导体(ti)场效应晶体(ti)管，简称(cheng)金(jin)氧半场效晶体(ti)管是(shi)一(yi)种可以广泛使用在模(mo)拟电(dian)路与数字电(dian)路的(de)场效晶体(ti)管。MOSFET依照(zhao)其(qi)“通道”（工作载流子）的(de)极性(xing)不(bu)同，可分为(wei)“N型”与“P型” 的(de)两种类型，通常又称(cheng)为(wei)NMOSFET与PMOSFET，其(qi)他简称(cheng)尚(shang)包括(kuo)NMOS、PMOS等。

2、MOSFET结(jie)构

下图是典(dian)型平面(mian)N沟道增强型NMOSFET的(de)(de)剖面(mian)图。它用(yong)一块P型硅半导(dao)体材料作(zuo)衬底，在其面(mian)上扩散了两(liang)个(ge)(ge)N型区，再在上面(mian)覆盖(gai)一层二氧化(hua)硅(SiO2）绝缘(yuan)层，最(zui)后在N区上方用(yong)腐(fu)蚀(shi)的(de)(de)方法(fa)做成两(liang)个(ge)(ge)孔，用(yong)金(jin)属(shu)化(hua)的(de)(de)方法(fa)分别(bie)在绝缘(yuan)层上及(ji)两(liang)个(ge)(ge)孔内做成三(san)个(ge)(ge)电极(ji)(ji)：G(栅极(ji)(ji)）、S（源极(ji)(ji)）及(ji)D（漏极(ji)(ji)），如图所示。

从图1中(zhong)可以看出(chu)栅(zha)极G与漏极D及源(yuan)极S是(shi)绝缘的，D与S之间(jian)(jian)有(you)(you)两个(ge)PN结。一(yi)般情(qing)况(kuang)下，衬底与源(yuan)极在内部(bu)连接在一(yi)起，这样，相(xiang)当于D与S之间(jian)(jian)有(you)(you)一(yi)个(ge)PN结。

上图是常见的N沟(gou)道增强(qiang)型(xing)MOSFET的基本结(jie)构图。为了改善(shan)某些参(can)数的特性，如提高(gao)(gao)工(gong)(gong)作电(dian)流、提高(gao)(gao)工(gong)(gong)作电(dian)压、降(jiang)低导通电(dian)阻、提高(gao)(gao)开关特性等有不同的结(jie)构及(ji)工(gong)(gong)艺，构成所谓(wei)VMOS、DMOS、TMOS等结(jie)构。

（二）IGBT

1、IGBT概述

IGBT，绝(jue)缘栅(zha)双极(ji)型(xing)晶体(ti)管，是由BJT(双极(ji)型(xing)三(san)极(ji)管)和MOS(绝(jue)缘栅(zha)型(xing)场效应(ying)管)组成的(de)复合全(quan)控型(xing)电压(ya)(ya)(ya)(ya)驱动式功(gong)率半导(dao)(dao)体(ti)器件, 兼有MOSFET的(de)高输入阻抗和GTR的(de)低导(dao)(dao)通压(ya)(ya)(ya)(ya)降(jiang)两方面的(de)优点(dian)。GTR饱(bao)和压(ya)(ya)(ya)(ya)降(jiang)低，载流(liu)(liu)密度(du)大(da)，但驱动电流(liu)(liu)较(jiao)大(da)；MOSFET驱动功(gong)率很(hen)小(xiao)，开关速度(du)快，但导(dao)(dao)通压(ya)(ya)(ya)(ya)降(jiang)大(da)，载流(liu)(liu)密度(du)小(xiao)。IGBT综合了以(yi)上两种器件的(de)优点(dian)，驱动功(gong)率小(xiao)而(er)饱(bao)和压(ya)(ya)(ya)(ya)降(jiang)低。非常适合应(ying)用(yong)于直流(liu)(liu)电压(ya)(ya)(ya)(ya)为600V及以(yi)上的(de)变(bian)(bian)流(liu)(liu)系统如交流(liu)(liu)电机、变(bian)(bian)频器、开关电源、照(zhao)明(ming)电路、牵引(yin)传动等领域(yu)。

2、IGBT结构(gou)

如图所示，左边所示为(wei)(wei)(wei)(wei)一(yi)(yi)个N沟(gou)(gou)道增(zeng)强型绝缘栅双极(ji)(ji)(ji)晶体管结构(gou)， N+区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)称为(wei)(wei)(wei)(wei)源(yuan)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，附(fu)于其上(shang)的(de)(de)(de)(de)电(dian)极(ji)(ji)(ji)称为(wei)(wei)(wei)(wei)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)（即发射(she)极(ji)(ji)(ji)E）。N基极(ji)(ji)(ji)称为(wei)(wei)(wei)(wei)漏(lou)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)。器(qi)件的(de)(de)(de)(de)控制区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)为(wei)(wei)(wei)(wei)栅区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，附(fu)于其上(shang)的(de)(de)(de)(de)电(dian)极(ji)(ji)(ji)称为(wei)(wei)(wei)(wei)栅极(ji)(ji)(ji)（即门极(ji)(ji)(ji)G）。沟(gou)(gou)道在紧(jin)靠栅区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)边界形成(cheng)(cheng)。在C、E两极(ji)(ji)(ji)之间(jian)的(de)(de)(de)(de)P型区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（包括P+和(he)P-区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)）（沟(gou)(gou)道在该区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域(yu)形成(cheng)(cheng)），称为(wei)(wei)(wei)(wei)亚(ya)沟(gou)(gou)道区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（Subchannel region）。而在漏(lou)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)另一(yi)(yi)侧的(de)(de)(de)(de)P+区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)称为(wei)(wei)(wei)(wei)漏(lou)注(zhu)入区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)（Drain injector），它是(shi)IGBT特(te)有(you)的(de)(de)(de)(de)功能区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)，与(yu)漏(lou)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)和(he)亚(ya)沟(gou)(gou)道区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)一(yi)(yi)起(qi)形成(cheng)(cheng)PNP双极(ji)(ji)(ji)晶体管，起(qi)发射(she)极(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)作用，向漏(lou)极(ji)(ji)(ji)注(zhu)入空(kong)穴，进(jin)行导电(dian)调制，以降低器(qi)件的(de)(de)(de)(de)通态电(dian)压。附(fu)于漏(lou)注(zhu)入区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)上(shang)的(de)(de)(de)(de)电(dian)极(ji)(ji)(ji)称为(wei)(wei)(wei)(wei)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)（即集电(dian)极(ji)(ji)(ji)C）。

IGBT的开关(guan)作用是(shi)通过加正向(xiang)栅极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)形成(cheng)沟(gou)(gou)道，给PNP(原来为NPN)晶(jing)体管提(ti)供基极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流，使(shi)IGBT导通。反(fan)之，加反(fan)向(xiang)门极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)消除沟(gou)(gou)道，切断(duan)基极(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流，使(shi)IGBT关(guan)断(duan)。IGBT的驱(qu)动方法和MOSFET基本相同(tong)，只需控制输入极(ji)(ji)N-沟(gou)(gou)道MOSFET，所以(yi)具有高输入阻抗特(te)性。当MOSFET的沟(gou)(gou)道形成(cheng)后，从(cong)P+基极(ji)(ji)注入到N-层(ceng)的空穴（少子），对N-层(ceng)进行(xing)电(dian)(dian)(dian)(dian)导调制，减(jian)小N-层(ceng)的电(dian)(dian)(dian)(dian)阻，使(shi)IGBT在高电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)时，也具有低(di)的通态电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。

MOSFET以及IGBT绝缘栅极隔离驱动技术解析

MOSFET以及IGBT绝缘(yuan)栅(zha)双极(ji)(ji)性大功(gong)率(lv)管等器件的(de)(de)源(yuan)极(ji)(ji)和(he)(he)栅(zha)极(ji)(ji)之间(jian)是(shi)绝缘(yuan)的(de)(de)二(er)氧化硅结(jie)构(gou)，直流电不能通过，因(yin)而低频的(de)(de)表(biao)态(tai)驱动功(gong)率(lv)接(jie)近于零。但(dan)是(shi)栅(zha)极(ji)(ji)和(he)(he)源(yuan)极(ji)(ji)之间(jian)构(gou)成了一个栅(zha)极(ji)(ji)电容Cgs，因(yin)而在(zai)高频率(lv)的(de)(de)交替开(kai)通和(he)(he)需(xu)要关断时需(xu)要一定的(de)(de)动态(tai)驱动功(gong)率(lv)。小

功率MOSFET的Cgs一(yi)般在10-100pF之内，对于(yu)大(da)功率的绝缘(yuan)栅(zha)(zha)功率器件，由(you)于(yu)栅(zha)(zha)极(ji)电(dian)容(rong)Cgs较(jiao)大(da)。一(yi)般在1-100nF之间，因而需要(yao)较(jiao)大(da)的动(dong)态驱动(dong)功率。更由(you)于(yu)漏极(ji)到栅(zha)(zha)极(ji)的密勒电(dian)容(rong)Cdg，栅(zha)(zha)极(ji)驱动(dong)功率往(wang)往(wang)是不(bu)可(ke)忽视的。

因IGBT具有电流拖尾效应，在关断(duan)时要(yao)求更(geng)好的抗干扰性(xing)，需要(yao)负(fu)压驱动。MOSFET速度比较快，关断(duan)时可以没(mei)有负(fu)压，但在干扰较重时，负(fu)压关断(duan)对于提高(gao)可靠性(xing)有很(hen)大好处。

隔离驱动技术情况

为可靠驱动绝缘栅器(qi)(qi)件，目(mu)前已有很多成熟电(dian)(dian)路(lu)。当驱动信(xin)号与功率器(qi)(qi)件不需要(yao)隔离时，驱动电(dian)(dian)路(lu)的(de)设计是比较(jiao)简(jian)单(dan)的(de)，目(mu)前也有了许(xu)多优秀的(de)驱动集成电(dian)(dian)路(lu)。

1、光电耦合器隔离的驱动器

光电(dian)(dian)耦合器的(de)优(you)点是体积(ji)小巧，缺点是：A、反应较慢，因而(er)具有较大的(de)延迟时间(高速型光耦一般也大于300ns);B、光电(dian)(dian)耦合器的(de)输出(chu)级需要隔(ge)离的(de)辅助电(dian)(dian)源供电(dian)(dian)。

2、无源变压(ya)器驱动

用(yong)脉冲(chong)变(bian)压器隔(ge)离驱(qu)动绝缘(yuan)栅(zha)(zha)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器件(jian)有三种(zhong)方(fang)法(fa)：无源、有源和自(zi)给电源驱(qu)动。无源方(fang)法(fa)就是(shi)用(yong)变(bian)压器次(ci)级的(de)输出直流驱(qu)动绝缘(yuan)栅(zha)(zha)器件(jian)，这种(zhong)方(fang)法(fa)很(hen)简单(dan)(dan)也不(bu)需要(yao)单(dan)(dan)独的(de)驱(qu)动电源。缺(que)点是(shi)输出波型失真较大，因(yin)(yin)为(wei)绝缘(yuan)栅(zha)(zha)功(gong)率(lv)(lv)(lv)器件(jian)的(de)栅(zha)(zha)源电容Cgs一(yi)般(ban)较大。减小(xiao)失真的(de)办(ban)法(fa)是(shi)将初(chu)级的(de)输入信号(hao)改为(wei)具有一(yi)定(ding)功(gong)率(lv)(lv)(lv)的(de)大信号(hao)，相应(ying)脉冲(chong)变(bian)压器也应(ying)取较大体积，但在大功(gong)率(lv)(lv)(lv)下，一(yi)般(ban)仍(reng)不(bu)令人满(man)意(yi)。另一(yi)缺(que)点是(shi)当占空(kong)比变(bian)化较大时，输出驱(qu)动脉冲(chong)的(de)正负(fu)幅(fu)值变(bian)化太大，可(ke)能导致工作不(bu)正常，因(yin)(yin)此只(zhi)适用(yong)于占空(kong)比变(bian)化不(bu)大的(de)场合。

3、有源变压(ya)器驱动(dong)

有源方法中的(de)(de)变(bian)压器(qi)只提供(gong)隔(ge)离(li)的(de)(de)信号，在次级另有整形放大电(dian)路来(lai)驱动(dong)绝(jue)缘栅功率器(qi)件，当(dang)然(ran)驱动(dong)波形较好，但是需要(yao)另外提供(gong)单独(du)的(de)(de)辅助电(dian)源供(gong)给放大器(qi)。而辅助电(dian)源如果处理不当(dang)，可能会引进寄生的(de)(de)干扰。

4、调制型自(zi)给电(dian)源的变压器(qi)隔离驱动器(qi)

采用自(zi)(zi)给电源技术，只(zhi)用一个变压器，既省却了(le)辅(fu)助电源，又能得到(dao)较快(kuai)的(de)速度，当然是(shi)不错的(de)方(fang)(fang)法。目前(qian)自(zi)(zi)给电源的(de)产生有调制和(he)从分时两(liang)种方(fang)(fang)法。

调(diao)(diao)制(zhi)技(ji)术是(shi)比(bi)较经(jing)典的方法，即对PWM驱动信号(hao)进行高(gao)频(几个MHZ以上)调(diao)(diao)制(zhi)，并(bing)将调(diao)(diao)制(zhi)信号(hao)加在(zai)(zai)隔离(li)脉冲变压器初级，在(zai)(zai)次级通(tong)过直接整流得到(dao)自给电源，而原PWM调(diao)(diao)制(zhi)信号(hao)则需经(jing)过解调(diao)(diao)取得，显然(ran)，这种方法并(bing)不简(jian)单。调(diao)(diao)制(zhi)式(shi)的另一缺(que)点是(shi)PWM的解调(diao)(diao)要增加信号(hao)的延时，调(diao)(diao)制(zhi)方式(shi)适于(yu)传递较低频率(lv)的PWM信号(hao)。

5、分时(shi)型(xing)自给电源的变压器(qi)隔离驱动(dong)器(qi)

分(fen)时技(ji)术是一种较新的(de)(de)(de)(de)技(ji)术，其原理是，将信(xin)号和能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)传(chuan)送(song)采取分(fen)别(bie)进行的(de)(de)(de)(de)方法，即在变压器输(shu)入PWM信(xin)号的(de)(de)(de)(de)上升和下(xia)降(jiang)沿传(chuan)递信(xin)息(xi)，在输(shu)入信(xin)号的(de)(de)(de)(de)平顶(ding)阶段(duan)传(chuan)递驱动(dong)所需(xu)要的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。由于(yu)在PWM信(xin)号的(de)(de)(de)(de)上升和下(xia)降(jiang)沿只传(chuan)递信(xin)号，基本没有能(neng)量(liang)传(chuan)输(shu)，因而输(shu)出(chu)的(de)(de)(de)(de)PWM脉(mai)冲的(de)(de)(de)(de)延时和畸变都(dou)很(hen)小(xiao)，能(neng)获得(de)陡(dou)峭(qiao)的(de)(de)(de)(de)驱动(dong)输(shu)出(chu)脉(mai)冲。分(fen)时型自给电源驱动(dong)器的(de)(de)(de)(de)不足是用(yong)于(yu)低频(pin)时变压器的(de)(de)(de)(de)体积较大，此外(wai)由于(yu)自给能(neng)量(liang)的(de)(de)(de)(de)限制，驱动(dong)超过300A/1200V的(de)(de)(de)(de)IGBT比较困(kun)难。

MOSFET和IGBT的区别

从结(jie)构(gou)来说，以N型沟道为例，IGBT与MOSFET（VDMOS）的(de)差别在于MOSFET的(de)衬底(di)(di)为N型，IGBT的(de)衬底(di)(di)为P型。

从(cong)原(yuan)理(li)上(shang)说(shuo)IGBT相(xiang)当与(yu)一个(ge)(ge)mosfet和一个(ge)(ge)BIpolar的(de)组合，通(tong)过(guo)背(bei)面P型层的(de)空穴(xue)注入(ru)(ru)降低器件的(de)导通(tong)电(dian)阻，但同时也会引入(ru)(ru)一些拖尾(wei)电(dian)流(liu)等问(wen)题。

从产品来(lai)说，IGBT一般(ban)用在(zai)高压(ya)功率产品上，从600V到几千伏都有；MOSFET应(ying)用电(dian)压(ya)相对(dui)较(jiao)低从十几伏到1000左右。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系(xi)地址：深圳(zhen)市(shi)福田区(qu)车公庙(miao)天安数码城(cheng)天吉大(da)厦CD座5C1

请搜微(wei)(wei)信公众号(hao)(hao):“KIA半(ban)导体”或扫一扫下(xia)图“关注”官(guan)方微(wei)(wei)信公众号(hao)(hao)

请(qing)“关注”官方微信公众号(hao):提供(gong) MOS管 技术帮助(zhu)