簡要介紹MOSFET和IGBT基礎知識

2020-11-30 電子發燒友

簡要介紹MOSFET和IGBT基礎知識

Bill Schweber, Mouser 發表於 2019-08-28 15:45:05

當前的發動機越來越傾向於電子控制，相對於通過直接連接到相應電源（無論是直流源還是交流源）的做法來說，這種方式可以提供更好的控制速度、位置以及扭矩，以及更高的效率。要做到這一點，電機控制電路必須很快地開關流向電機線圈的電流，在開關上面需要達到最小的切換時間或導電期間的損失。

要滿足這些需求需要使用MOSFET和IGBT。這兩種半導體器件都可以用於電機驅動和電源控制;但其中一個會在某些應用場合中表現更突出。這些電可控開關在功能和屬性上類似，內部設計甚至都會有部分重疊，但很多方面仍然差異巨大。大多數應用中，這些開關都採用H橋配置（圖1），該配置可以控制電流的流動路徑，決定是否流向兩個或更多個電機線圈。通過這種配置可以完全控制電機的速度和轉向。

MOSFET是一種場效應電晶體，取決於尺寸和設計，可以開關幾百毫安到幾十安培的電流以及幾伏到數千伏特的電壓。雖然有許多方式來繪製MOSFET管，但最常見的符號如圖2。注意有且只有三端連接：源極、漏極和柵極；柵極控制從源極到漏極的電流。較小的MOSFET可以在標準的MOS IC裸芯上直接製造，因此它可以是單晶片集成解決方案的一部分（但功耗必須低，因為受限於晶片尺寸和散熱問題）。

圖1：在基本的H橋結構中，四個開關以交叉開關對方式來控制電流流向以及因此而定的電機轉向，。需要注意的是上部開關會懸空，並不連接到地。

圖2：MOSFET的常用示意圖之一，帶有三端：漏極（D），柵極（G），以及源極（S）。

IGBT是雙極型電晶體，也是一種三端子器件，但是發射極和集電極連接在一起充當被控制的電流通路。如圖3所示，和MOSFET一樣，IGBT有一個柵極來控制該通路。作為雙極型器件，在標準的MOS IC工藝基礎上來製作IGBT是非常困難的;因此，IGBT一般是分立器件。IGBT同時具備了場效應管（FET）簡單柵極驅動，也具備雙極型電晶體的高電流/高電壓處理能力。

圖3：IGBT的常用示意圖之一，帶有三端：集電極（C），柵極（G），和發射極（E）。

需要注意的是，許多IGBT電路還需要一個反向阻斷（反平行）二極體，該二級管不能使用IGBT製造，因此IGBT和二極體組合通常被協同封裝並以單模塊方式對外供應。單端拓撲結構，如升壓PFC電源，不需要這個二極體，僅需使用IGBT。

儘管柵極上需要打開的驅動電流依不同器件會不太相同，但一般為所述器件額定電流的大約10%。如圖4所示，滿足所需的導通速度驅動該電流（源）快速到達柵極電容，並且在關斷周期將這些電流導出（下沉），是開發完整電機驅動電路的最大的兩個挑戰。此外，為使電路更加安全，通過低電壓數位訊號，或「懸浮」上位器件的驅動來達到電兼容性，通常該路徑必須加入控制器處理器的數字輸出和驅動電路之間的電隔離。

圖4：該柵極驅動電路使用一個低電平數位訊號來控制雙極H橋中一對IGBT，用於任一方向上驅動電機（來自於國際整流器AN-990）。

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