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

本文主要介绍MOSFET和IGBT绝缘栅极隔离驱动技术，我们先简单的介绍一下MOSFET和IGBT是什么。

（一）MOSFET

1、MOSFET概述

金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。MOSFET依照其“通道”（工作载流子）的极性不同，可分为“N型”与“P型” 的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。

2、MOSFET结构

下图是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底，在其面上扩散了两个N型区，再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、S（源极）及D（漏极），如图所示。

从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的，D与S之间有两个PN结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起，这样，相当于D与S之间有一个PN结。

上图是常见的N沟道增强型MOSFET的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓VMOS、DMOS、TMOS等结构。

（二）IGBT

1、IGBT概述

IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(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, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

2、IGBT结构

如图所示，左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

MOSFET以及IGBT绝缘栅极隔离驱动技术解析

MOSFET以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的表态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和需要关断时需要一定的动态驱动功率。小

功率MOSFET的Cgs一般在10-100pF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容Cgs较大。一般在1-100nF之间，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容Cdg，栅极驱动功率往往是不可忽视的。

因IGBT具有电流拖尾效应，在关断时要求更好的抗干扰性，需要负压驱动。MOSFET速度比较快，关断时可以没有负压，但在干扰较重时，负压关断对于提高可靠性有很大好处。

隔离驱动技术情况

为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了许多优秀的驱动集成电路。

1、光电耦合器隔离的驱动器

光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是：A、反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于300ns);B、光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

2、无源变压器驱动

用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直流驱动绝缘栅器件，这种方法很简单也不需要单独的驱动电源。缺点是输出波型失真较大，因为绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大。减小失真的办法是将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积，但在大功率下，一般仍不令人满意。另一缺点是当占空比变化较大时，输出驱动脉冲的正负幅值变化太大，可能导致工作不正常，因此只适用于占空比变化不大的场合。

3、有源变压器驱动

有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形较好，但是需要另外提供单独的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。

4、调制型自给电源的变压器隔离驱动器

采用自给电源技术，只用一个变压器，既省却了辅助电源，又能得到较快的速度，当然是不错的方法。目前自给电源的产生有调制和从分时两种方法。

调制技术是比较经典的方法，即对PWM驱动信号进行高频(几个MHZ以上)调制，并将调制信号加在隔离脉冲变压器初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单。调制式的另一缺点是PWM的解调要增加信号的延时，调制方式适于传递较低频率的PWM信号。

5、分时型自给电源的变压器隔离驱动器

分时技术是一种较新的技术，其原理是，将信号和能量的传送采取分别进行的方法，即在变压器输入PWM信号的上升和下降沿传递信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量。由于在PWM信号的上升和下降沿只传递信号，基本没有能量传输，因而输出的PWM脉冲的延时和畸变都很小，能获得陡峭的驱动输出脉冲。分时型自给电源驱动器的不足是用于低频时变压器的体积较大，此外由于自给能量的限制，驱动超过300A/1200V的IGBT比较困难。

MOSFET和IGBT的区别

从结构来说，以N型沟道为例，IGBT与MOSFET（VDMOS）的差别在于MOSFET的衬底为N型，IGBT的衬底为P型。

从原理上说IGBT相当与一个mosfet和一个BIpolar的组合，通过背面P型层的空穴注入降低器件的导通电阻，但同时也会引入一些拖尾电流等问题。

从产品来说，IGBT一般用在高压功率产品上，从600V到几千伏都有；MOSFET应用电压相对较低从十几伏到1000左右。

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