MOSFET和IGBT电源开关驱动的基本概念和作用‌

[导读]它们的原理基于PN结及其组合、变形，同时还有结构更为简单的二极管、BJT、JFET等元件。本节将重点介绍电机控制器中常用的场效应晶体管——Mosfet。

在电力电子领域，Mosfet和IGBT作为功率开关元件被广泛应用。它们的原理基于PN结及其组合、变形，同时还有结构更为简单的二极管、BJT、JFET等元件。本节将重点介绍电机控制器中常用的场效应晶体管——Mosfet。随着碳化硅(SiC)等新材料的崛起，Mosfet在许多场合已逐渐替代IGBT，其应用前景愈发广阔。

Mosfet，全称Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，即金属氧化物场效应晶体管。其核心结构为金属-SiO2-半导体构成的Mos电容器，通过控制电压来开启或关闭整个器件。FET则代表场效应晶体管，它利用输入电压产生的电场效应来调控输出电流，是一种电压控制型器件。由于半导体在不同电场下表现出不同的导电特性，因此得名“场效应”管。特别地，绝缘栅型Mosfet的栅极与半导体之间以氧化物绝缘层相隔，这一特性将在后续内容中详细介绍。接下来，我们将深入探讨Mos电容器的工作原理。

MOSFET和IGBT电源开关驱动的基本概念和作用‌：

MOSFET和IGBT作为功率开关元件，在电源开关驱动中起着关键作用。驱动器是使用动力推动目标装置，使装置实现运转的设备。在功率半导体开关器件中，驱动器提供开关过程所需的能量，并附带保护功能，确保开关器件的安全运行‌1。

‌MOSFET和IGBT的区别‌：

‌定义‌：MOSFET全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，而IGBT全称是绝缘栅双极型晶体管。MOSFET通过控制电压来控制电流，而IGBT则是电压控制功耗低，耐高压，承受电流大‌2。

‌性能对比‌：MOSFET在低、中等功率应用中更具优势，开关速度快，但耐压能力不如IGBT强;而IGBT在高电压和大电流处理中效率更高，但在频率方面不是太高‌2。

‌应用领域‌：MOSFET常用于放大器、电子开关等，而IGBT常用于交流电机、变频器、照明电路等高功率应用领域‌2。

‌MOSFET和IGBT在电源开关驱动中的应用‌：

‌MOSFET‌：由于其高开关速度和低功耗特性，MOSFET在高频开关应用中表现优异，适用于从几kHz到几百kHz的开关频率。此外，MOSFET的栅极驱动功耗低，适合用于低电压驱动设计‌3。

‌IGBT‌：由于其耐高压和大电流处理能力，IGBT在高功率应用中表现优越，常用于电力转换和电机控制等需要高电压和大电流的场合‌2。

目前，种类繁多的功率半导体器件已经成为人们日常生活的一个重要组成部分。今天介绍的即为占据率半导体器件重要份额的IGBT。IGBT是目前大功率开关元器件中最为成熟，也是应用最为广泛的功率器件，驱动功率小而饱和压降低，是能源变换与传输的核心器件。同时具有高频率、高电压、大电流，易于开关等优良性能的IGBT，广泛应用于工业、汽车、通信及消费电子领域，未来的市场需求空间很大。

1、IGBT的定义

IGBT：IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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。

IGBT的内部结构

IGBT，作为一种先进的半导体器件，具有三个关键的端子：发射极、集电极和栅极(发射极emitter、集电极collector和栅极gate)。每个端子都配备了金属层，其中栅极端子的金属层上覆盖有一层二氧化硅，这是其独特的结构特点之一。

逆变器IGBT是一种复杂的四层半导体器件，它通过巧妙地结合PNP和NPN晶体管，形成了独特的PNPN排列。

具体来说，IGBT的结构从集电极侧开始，最靠近的是(p+)衬底，也称为注入区。注入区上方是N漂移区，包含N层，这一区域的主要作用是允许大部分载流子(空穴电流)从(p+)注入到N-层。N漂移区的厚度对于决定IGBT的电压阻断能力至关重要。

在N漂移区的上方，是体区，由(p)衬底构成，靠近发射极。在体区内部，有一个(n+)层。注入区与N漂移区之间的连接点被称为J2结，而N区和体区之间的连接点则是J1结。

值得注意的是，逆变器IGBT的结构在拓扑上与MOS门控晶闸管相似，但二者在操作和功能上有显著差异。与晶闸管相比，IGBT在操作上更为灵活，因为它在整个设备操作范围内只允许晶体管操作，而不需要像晶闸管那样在零点交叉时等待快速开关。这种特性使得IGBT在逆变器等应用中更加受到青睐，因为它能够提供更高效、更可靠的开关性能。

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通过激活或停用其栅极端子来开启或关闭。

如果正输入电压通过栅极，发射极保持驱动电路开启。另一方面，如果 IGBT 的栅极端电压为零或略为负，则会关闭电路应用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它实现的放大量是其输出信号和控制输入信号之间的比率。

对于传统的 BJT，增益量与输出电流与输入电流的比率大致相同，我们将其称为 Beta 并表示为 β。

另一方面，对于 MOS管，没有输入电流，因为栅极端子是主通道承载电流的隔离。我们通过将输出电流变化除以输入电压变化来确定 IGBT 的增益。

关于体二极管(或寄生二极管、续流二极管)在MOSFET中的作用，存在两种不同的解释。

1、在MOSFET中，寄生二极管扮演着至关重要的角色。它能够防止VDD过压时MOS管被烧坏。具体来说，当过压情况出现并可能对MOS管造成损害之前，这个二极管会先进行反向击穿，将大电流直接引入地线，从而有效地保护了MOS管。

2、此外，寄生二极管还能防止MOS管的源极和漏极反接导致的烧坏。同时，在电路中出现反向感生电压时，它能为该电压提供一条通路，进而避免反向感生电压对MOS管的击穿。

MOSFET以其高输入阻抗、快速开关速度、出色的热稳定性以及电压控制电流等特点，在电路中常被用作放大器、电子开关等核心组件。