MOS管,IGBT,以及三極體他們有什麼區別?正向單流柵極IGBT驅動電路...

　　MOS管，IGBT，以及三極體他們有什麼區別？

　　mos管、igbt、三極體比較，mos開關速度最快，三極體最慢，而igbt內部是靠mos管先開通驅動三極體開通（這個原理決定了它的開關速度比mos慢，比三極體快，和幾代技術無關）。mos管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內阻迅速增大（不是線性增大），所以高壓下內阻很大，不能做大功率應用。隨著技術發展，無論mos管還是igbt管，它們的各種參數仍在優化。目前igbt技術主要是歐美和日本壟斷，國內最近2年也幾個公司研究工藝，但目前都不算成熟，所以igbt基本都是進口。igbt的製造成本比mos高很多，主要是多了薄片背面離子注入，薄片低溫退火（最好用雷射退火），而這兩個都需要專門針對薄片工藝的昂貴的機臺（wafer一般厚度150um-300um之間）。

　　在低壓下 igbt相對mos管在電性能和價格上都沒有優勢，所以基本上看不到低壓igbt，並不是低壓的造不出來，而是毫無性價比。在600v以上，igbt的優勢才明顯，電壓越高，igbt越有優勢，電壓越低，mos管越有優勢。導通壓降，一般低壓mos管使用都控制在0.5v以下（基本不會超過1v的）。比如ir4110，內阻4毫歐姆，給它100a的導通電流，導通壓降是0.4v左右。

　　mos開關速度快，意味著開關損耗小（開關發熱小），同樣電流導通壓降低，意味著導通損耗小（還是發熱小）。

　　上面說的是低壓狀況。高壓情況就差很多了。

　　開關速度無論高壓低壓都是mos最快。 但高壓下mos的導通壓降很大，或者說mos管內阻隨耐壓升高迅速升高，比如600v 耐壓的coolmos，導通電阻都是幾百毫歐姆或幾歐姆，這樣它的耐流也很小（通過大電流就會燒掉），一般耐流幾安或者幾十安培。而igbt在高耐壓壓下，導通壓降幾乎沒明顯增大（原因還是主要導通電流是通過三極體），所以高壓下igbt優勢明顯，既有高開關速度（儘管比mos管慢，但是開關比三極體快很多），又有三極體的大電流特性。

　　目前市場上新生代的EUV-X器件的IGBT飽和（導通）壓降也能做到1.2V以下了。比先代IGBT的2.7~3.2V下降不少了， 幾乎與VMOS 相差無幾了。而IGBT的優點——開關速度高（納秒級），通態壓降低，開關損耗小（功率損耗是第一代的五分之一），耐脈衝電流衝擊力強，且耐壓高，驅動功率小等優點更加突出。已集雙極型電晶體（GTR）和單極型MOSFET優點於一身。 未來的低成本，低壓型（耐壓200~300v）的IGBT電動車驅動模塊，排除價格因素，普遍應用IGBT模塊也應是遲早的事。

　　在需要耐壓超過150V的使用條件下，MOS管已經沒有任何優勢！以典型的IRFS4115為例：VDS-150V，ID-105A（Tj=25攝氏度，這個唬人指標其實毫無實際使用價值），RDS-11.8 m 歐姆;與之相對應的 即使是第四代的IGBT型SKW30N60對比；都以150V，20A的電流，連續工況下運行，前者開關損耗6mJ/pulse，而後者只有1.15mJ/pulse，不到五分之一的開關損耗！就這點，能為用戶省去多少煩惱？要是都用極限工作條件，二者功率負荷相差更懸殊！其實，很多時候，我們的影像中，還停留在多年前的IGBT的概念中。。。更不必比較現在的六，七代及以後的IGBT技術指標了！正因為如此，有大功率需求的諸如冶金，鋼鐵，高速鐵路，船舶等領域已廣泛應用IGBT 元器件，很少採用MOSFET來作為功率元器件。

　　正向單流柵極IGBT驅動電路的設計方案：

　　為了理解dV/dt感生開通現象，我們必須考慮跟IGBT結構有關的電容。圖1顯示了三個主要的IGBT寄生電容。集電極到發射極電容C，集電極到柵極電容C和柵極到發射極電容CGE。

　　圖1 IGBT器件的寄生電容

　　這些電容對橋式變換器設計是非常重要的，大部份的IGBT數據表中都給出這些參數：

　　輸出電容，COES＝CCE＋CGC（CGE短路）

　　輸入電容，CIES＝CGC＋CGE（CCE短路）

　　反向傳輸電容，CRES＝CGC

　　圖2 半橋電路

　　圖2給出了用於多數變換器設計中的典型半橋電路。集電極到柵極電容C和柵極到發射極電容C組成了動態分壓器。當高端IGBT（Q2）開通時，低端IGBT（Q1）的發射極上的dV/dt會在其柵極上產生正電壓脈衝。對於任何IGBT，脈衝的幅值與柵驅動電路阻抗和dV/dt的實際數值有直接關係。IGBT本身的設計對減小C和C的比例非常重要，它可因此減小dV/dt感生電壓幅值。

　　如果dV/dt感生電壓峰值超過IGBT的閥值，Q1產生集電極電流並產生很大的損耗，因為此時集電極到發射極的電壓很高。

　　為了減小dV/dt感生電流和防止器件開通，可採取以下措施：

　　關斷時採用柵極負偏置，可防止電壓峰值超過V，但問題是驅動電路會更複雜。

　　減小IGBT的CGC寄生電容和多晶矽電阻Rg』。

　　減小本徵JFET的影響

　　圖3給出了為反向偏置關斷而設計的典型IGBT電容曲線。CRES曲線（及其他曲線）表明一個特性，電容一直保持在較高水平，直到V接近15V，然後才下降到較低值。如果減小或消除這種「高原」（plateau） 特性，C的實際值就可以進一步減小。

　　這種現象是由IGBT內部的本徵JFET引起的。如果JFET的影響可以最小化，C和C可隨著VCE的提高而很快下降。這可能減小實際的CRES，即減小dV/dt感生開通對IGBT的影響。

　　圖3 需負偏置關斷的典型IGBT的寄生電容與V的關係。

　　IRGP30B120KD-E是一個備較小C和經改良JFET的典型IGBT。這是一個1200V，30A NPT IGBT。它是一個Co-Pack器件，與一個反並聯超快軟恢復二極體共同配置於TO-247封裝。

　　設計人員可減小多晶體柵極寬度，降低本徵JFET的影響，和使用元胞設計幾何圖形，從而達到以上的目標。

　　對兩種1200V NPT IGBT進行比較：一種是其他公司的需負偏置關斷的器件，一種是IR公司的NPT單正向柵驅動IRGP30B120KD-E。測試結果表明其他公司的器件在源電阻為56？下驅動時，dV/dt感生電流很大。

　　比較寄生電容的數據，IR器件的三種電容也有減小：

　　輸入電容，CIES減小25％

　　輸出電容，COES減小35％

　　反向傳輸電容，CRES減小68％

　　圖4 寄生電容比較

　　圖5顯示出IR器件的減小電容與V的關係，得出的平滑曲線是由於減小了JFET的影響。當V＝0V時，負偏置柵驅動器件的C為1100pF，IRGP30B120KD-E只有350pF，當VCE＝30V時，負偏置柵驅動器件的C為170pF，IRGP30B120KD-E的CRES為78pF。很明顯，IRGP30B120KD-E具有非常低的C，因此在相同的dV/dt條件下dV/dt感生電流將非常小。

　　圖5 IRGP30B120KD-E寄生電容與VCE的關係

　　圖6的電路用來比較測試兩種器件的電路性能。兩者的dV/dt感生電流波形也在相同的dV/dt值下得出。

　　圖6 dV/dt感生開通電流的測試電路

　　測試條件：

　　電壓率，dV/dt=3.0V/nsec

　　直流電壓，Vbus=600V

　　外部柵到發射極電阻Rg=56？

　　環境溫度，TA＝125°C

　　圖7 其他公司的IGBT的低端IGBT開關電壓和dV/dt感生電流的18A峰值

　　圖8 IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT開關電壓和dV/dt感生電流的1.9A峰值

　　dV/dt感生電流的減小清楚說明單正向柵驅動設計的優勝之處。但在這個測試中，Co-Pack二極體電流的影響並沒有完全計算在內。為了只顯示出IGBT對整體電流的影響，我們只利用相同的分立式反並聯二極體再重複測試，如圖9中的Ice（cntrl）。

　　圖9 利用相同的分立式Co-Pack二極體產生的dV/dt感生電流

　　圖10顯示出在沒有IGBT情況下，負偏置柵驅動器IGBT的I電流。圖11為IRGP30B120KD-E單正向柵驅動器的I電流。兩種情況下的電流都很低，分別為1A和0.8A。

　　圖10 其他公司的IGBT的Co-Pack二極體內的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流1A峰值

　　圖11 IRG30B120KD-E的Co-Pack二極體內的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流0.8A峰值

　　如果從整體IGBT/二極體電流中減去圖10和圖11的二極體電流，結果是

　　I（負偏置柵驅動IGBT）= 18-1 = 17A

　　I（IRGP30B120KD-E）= 1.9-0.8 = 0.8A

　　可見總的減小為17:0.8 = 21:1

　　在相同的測試條件下，當柵電壓是在0V或單正向柵驅動情況下，IRGP30B120KD的電路性能顯示dV/dt感生開通電流減小比例為21:1。如果IGBT採用這種方式驅動，電流很小，對功耗的影響幾乎可以忽略。

　　圖12 柵驅動波形

　　採用單正向柵驅動IGBT有下列好處：

　　不需要負偏置

　　驅動器電路成本更低

　　更高的柵抗噪聲功能

　　更高的dV/dt耐容

　　與不能提供負偏置驅動的IR單片式柵驅動器兼容

　　圖13 具有電平轉換的柵驅動IC電路

　　上述設計對PT和NPT IGBT同樣有效。

　　結論：

　　單正向柵驅動IGBT是器件發展的巨大進步。IRGP30B120KD-E的C值很低，在單正向柵驅動條件下，其開關性能非常理想。器件不需要負偏置柵驅動便能可靠關斷，即使在集電極的dV/dt為3V/ns。與單片式柵驅動器的兼容性更為橋式變換器和交流電機驅動提供更優越和成本更低的解決方案。所以我們期望這些先進的IGBT能為新的IC設計提供更大的優勢。

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