MOSFET和IGBT的对比
MOSFET和IGBT的对比
MOSFET工作原理
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)全称金属-氧化物半导体场效应晶体管。
首先以我们最常用的N沟道增强型MOSFET进行分析
电气符号如上图所示
总共有三个电极S(source)源极,D(drain)漏极,G(grid)栅极,如图所示,其中P区是一个杂志浓度低的P型硅材料作为衬底,其上有两处高掺杂的N型区域,分别通过金属铝(图中棕黄色)引出作为漏极和源极,通常将衬底和源极接在一起使用。相互隔离的两个N区的表面覆盖有金属氧化物SiO2绝缘层,栅极与其他两个电极被绝缘开来,因此该结构称之为绝缘栅型。
当外部不加电压时,内部可视为两个反向的PN结,无法导电;当GS两端施加一个电压UGS>0时,对于P型衬底,靠近栅极G的空穴因为外电场的作用移动到下方,上方留下了很多自由电子,当增大到某一个值UGS(th)时,此时外电场增强到吸引的电子数超过该处的空穴数以后(所以称之为增强型),与左右两边的高掺杂N区一起,形成了一个电子的导电沟道(所以称之为N型),如下图所示。此时如果UDS间加正向电压则将产生漏极电流。
P型衬底和漏极N区相当于一个PN结,因此MOS都带有反向寄生二极管,P型衬底和源极N去短接,因此这里的PN结不存在。
用作开关管时MOS管工作于可变电阻区,此时MOS管外特性可等效为一个很小的电阻,电阻大小受GS两端电压控制,要是MOS管工作于可变电阻区需要对外电路进行分析,一般应外加栅源电压VGS大于外电路负载线与最小电阻线交点所确定的临界栅源电压UGS(th)(具体可见陈坚电力电子学第三版P45)
IGBT工作原理
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称绝缘门极双极型晶体管。是由BJT(双极结型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。电路符号如下图所示。
IGBT也有三个电极,栅极G、发射极E和集电极C,其简化等效电路如下所示,可以看成一个N沟道MOSFET和PNP型晶体管以达林顿形式复合而成。
当UGE=0时,MOSFET管内无导电沟道,MOSFET处于断态,Ic=0,;当UGE>0时,提供了晶体管的基极电流ID,控制了IGBT集电极电流Ic,当UGE足够大时,T1饱和导通,IGBT进入通态。
MOSFET和IGBT的异同
两者都属于电压控制型器件。
MOSFET通、断驱动控制功率很小,开关速度快,但是通态压降大,导通损耗大,难以制成高压大电流器件。
电力晶体管BJT通、断驱动控制功率很大,开关速度不够快,但通态压降小,可以制成较高电压和较大电流的开关元件。
因此IGBT结合了两者的优点:高输入阻抗,电压控制、驱动功率小,开关速度快,工作频率一般小于MOSFET大于电力晶体管,可达到10-40kHz。
应用场景
MOSFET:高频低压小功率
IGBT:中低频高压大功率
一般IGBT的驱动电压比MOS管高一些
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