IGBT，MOS管-討論IGBT和MOS管的區(qū)別-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-07-17
mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱(chēng)的。
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(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。我們常見(jiàn)的IGBT又分單管和模塊兩種，單管的外觀和MOS管有點(diǎn)相像，常見(jiàn)生產(chǎn)廠家有富士，仙童等，模塊的產(chǎn)品一般內(nèi)部封裝了數(shù)個(gè)單的IGBT，內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。
常用的功率開(kāi)關(guān)有晶閘管、IGBT、場(chǎng)效應(yīng)管等。其中，晶閘管（可控硅）的開(kāi)關(guān)頻率最低約1000次/秒左右，一般不適用于高頻工作的開(kāi)關(guān)電路。
1、效應(yīng)管的特點(diǎn)：
場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)在于其極高的開(kāi)關(guān)頻率，其每秒鐘可開(kāi)關(guān)50萬(wàn)次以上，耐壓一般在500V以上，耐溫150℃（管芯），而且導(dǎo)通電阻，管子損耗低，是理想的開(kāi)關(guān)器件，尤其適合在高頻電路中作開(kāi)關(guān)器件使用。
但是場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管的封裝形式，使得其引腳的爬電距離（導(dǎo)電體到另一導(dǎo)電體間的表面距離）較小，在環(huán)境高壓下容易被擊穿，使得引腳間導(dǎo)電而損壞機(jī)器或危害人身安全。
2、IGBT的特點(diǎn)：
IGBT即雙極型絕緣效應(yīng)管，符號(hào)及等效電路圖見(jiàn)圖，其開(kāi)關(guān)頻率在20KHZ~30KHZ之間。但它可以通過(guò)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(huán)境高壓的影響，安全可靠。
由于場(chǎng)效應(yīng)管的突出優(yōu)點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管作逆變器的開(kāi)關(guān)器件時(shí)，可以把開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)得很高，以提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)省成本，使用高頻率變壓器以減小焊機(jī)的體積，使焊機(jī)向小型化，微型化方便使用。但無(wú)論弧焊機(jī)還是切割機(jī)，它們的工作電流都很大。使用一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管滿(mǎn)足不了焊機(jī)對(duì)電流的需求，一般采用多只并聯(lián)的形式來(lái)提高焊機(jī)電源的輸出電流。這樣既增加了成本，又降低了電路的穩(wěn)定性和可靠性。
IGBT焊機(jī)指的是使用IGBT作為逆變器開(kāi)關(guān)器件的弧焊機(jī)。由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率較低，電流大，焊機(jī)使用的主變壓器、濾波、儲(chǔ)能電容、電抗器等電子器件都較場(chǎng)效應(yīng)管焊機(jī)有很大不同，不但體積增大，各類(lèi)技術(shù)參數(shù)也改變了。
1、半橋逆變電路工作原理如圖所示
工作原理：
①tl時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1導(dǎo)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(shí)間：開(kāi)關(guān)K1、K2都截止，負(fù)截?zé)o電流通過(guò)（死區(qū)）。
③t3時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1截止，K2導(dǎo)通，電容C2向負(fù)載放電。
④t4時(shí)間：開(kāi)關(guān)K1、K2均截止，又形成死區(qū)。如此反復(fù)在負(fù)載上就得到了如圖12.3的電流，實(shí)現(xiàn)了逆變的目的。
2、IGBT焊機(jī)的工作原理
①電源供給：
和場(chǎng)效應(yīng)管作逆變開(kāi)關(guān)的焊機(jī)一樣，焊機(jī)電源由市電供給，經(jīng)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(kāi)關(guān)，其開(kāi)通與關(guān)閉由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。
③驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生：
驅(qū)動(dòng)信號(hào)仍然采用處理脈寬調(diào)制器輸出信號(hào)的形式。使得兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位錯(cuò)開(kāi)（有死區(qū)），以防止兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生過(guò)大電流損壞開(kāi)關(guān)管。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的中點(diǎn)同樣下沉一定幅度，以防干擾使開(kāi)關(guān)管誤導(dǎo)通。
④保護(hù)電路：
IGBT焊機(jī)也設(shè)置了過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)等，有些機(jī)型也有截流，以保證焊機(jī)及人身安全，其工作原理與場(chǎng)效應(yīng)管焊機(jī)相似。
INFINEON的內(nèi)建橫向電場(chǎng)的MOSFET，耐壓600V和800V，與常規(guī)MOSFET器件相比，相同的管芯面積，導(dǎo)通電阻分別下 降到常規(guī)MOSFET的1/5， 1/10；相同的額定電流，導(dǎo)通電阻分別下降到1/2和約1/3。在額定結(jié)溫、額定電流條件下，導(dǎo)通電壓分別從12.6V，19.1V下降到 6.07V，7.5V；導(dǎo)通損耗下降到常規(guī)MOSFET的1/2和1/3。由于導(dǎo)通損耗的降低，發(fā)熱減少，器件相對(duì)較涼，故稱(chēng)COOLMOS。
相同額定電流的COOLMOS的管芯較常規(guī)MOSFET減小到1/3和1/4，使封裝減小兩個(gè)管殼規(guī)格。由于COOLMOS管芯厚度僅為常規(guī)MOSFET的1/3，使TO-220封裝RTHJC從常規(guī)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。
COOLMOS的柵極電荷與開(kāi)關(guān)參數(shù)均優(yōu)于常規(guī)MOSFET，很明顯，由于QG，特別是QGD的減少，使COOLMOS的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為常 規(guī)MOSFET的1/2；開(kāi)關(guān)損耗降低約50%。關(guān)斷時(shí)間的下降也與COOLMOS內(nèi)部低柵極電阻(＜1Ω＝有關(guān)。
目前，新型的MOSFET無(wú)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(guī)MOSFET，而具有相同管芯面積時(shí)，IAS和EAS則均大于常規(guī) MOSFET。
COOLMOS的最大特點(diǎn)之一就是它具有短路安全工作區(qū)（SCSOA），而常規(guī)MOS不具備這個(gè)特性。 COOLMOS的SCSOA的獲得主要是由于轉(zhuǎn)移特性的變化和管芯熱阻降低。COOLMOS的轉(zhuǎn)移特性如圖所示。從圖可以看到，當(dāng)VGS＞8V 時(shí)，COOLMOS的漏極電流不再增加，呈恒流狀態(tài)。特別是在結(jié)溫升高時(shí)，恒流值下降，在最高結(jié)溫時(shí)，約為ID25℃的2倍，即正常工作電流的3-3.5 倍。在短路狀態(tài)下，漏極電流不會(huì)因柵極的15V驅(qū)動(dòng)電壓而上升到不可容忍的十幾倍的ID25℃，使COOLMOS在短路時(shí)所耗散的功率限制在 350V×2ID25℃，盡可能地減少短路時(shí)管芯發(fā)熱。管芯熱阻降低可使管芯產(chǎn)生的熱量迅速地散發(fā)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(qū)動(dòng)，在0.6VDSS電源電壓下承受10ΜS短路沖擊，時(shí)間間隔大于1S，1000次不損壞，使COOLMOS可像 IGBT一樣，在短路時(shí)得到有效的保護(hù)。
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