在電力電子領(lǐng)域，Mosfet和IGBT作為功率開關(guān)元件被廣泛應(yīng)用。它們的原理基于PN結(jié)及其組合、變形，同時還有結(jié)構(gòu)更為簡單的二極管、BJT、JFET等元件。本節(jié)將重點介紹電機控制器中常用的場效應(yīng)晶體管——Mosfet。隨著碳化硅(SiC)等新材料的崛起，Mosfet在許多場合已逐漸替代IGBT，其應(yīng)用前景愈發(fā)廣闊。

Mosfet，全稱Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，即金屬氧化物場效應(yīng)晶體管。其核心結(jié)構(gòu)為金屬-SiO2-半導體構(gòu)成的Mos電容器，通過控制電壓來開啟或關(guān)閉整個器件。FET則代表場效應(yīng)晶體管，它利用輸入電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來調(diào)控輸出電流，是一種電壓控制型器件。由于半導體在不同電場下表現(xiàn)出不同的導電特性，因此得名“場效應(yīng)”管。特別地，絕緣柵型Mosfet的柵極與半導體之間以氧化物絕緣層相隔，這一特性將在后續(xù)內(nèi)容中詳細介紹。接下來，我們將深入探討Mos電容器的工作原理。

MOSFET和IGBT電源開關(guān)驅(qū)動的基本概念和作用?：

MOSFET和IGBT作為功率開關(guān)元件，在電源開關(guān)驅(qū)動中起著關(guān)鍵作用。驅(qū)動器是使用動力推動目標裝置，使裝置實現(xiàn)運轉(zhuǎn)的設(shè)備。在功率半導體開關(guān)器件中，驅(qū)動器提供開關(guān)過程所需的能量，并附帶保護功能，確保開關(guān)器件的安全運行?1。

?MOSFET和IGBT的區(qū)別?：

?定義?：MOSFET全稱是金屬-氧化物半導體場效應(yīng)晶體管，而IGBT全稱是絕緣柵雙極型晶體管。MOSFET通過控制電壓來控制電流，而IGBT則是電壓控制功耗低，耐高壓，承受電流大?2。

?性能對比?：MOSFET在低、中等功率應(yīng)用中更具優(yōu)勢，開關(guān)速度快，但耐壓能力不如IGBT強;而IGBT在高電壓和大電流處理中效率更高，但在頻率方面不是太高?2。

?應(yīng)用領(lǐng)域?：MOSFET常用于放大器、電子開關(guān)等，而IGBT常用于交流電機、變頻器、照明電路等高功率應(yīng)用領(lǐng)域?2。

?MOSFET和IGBT在電源開關(guān)驅(qū)動中的應(yīng)用?：

?MOSFET?：由于其高開關(guān)速度和低功耗特性，MOSFET在高頻開關(guān)應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異，適用于從幾kHz到幾百kHz的開關(guān)頻率。此外，MOSFET的柵極驅(qū)動功耗低，適合用于低電壓驅(qū)動設(shè)計?3。

?IGBT?：由于其耐高壓和大電流處理能力，IGBT在高功率應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)越，常用于電力轉(zhuǎn)換和電機控制等需要高電壓和大電流的場合?2。

目前，種類繁多的功率半導體器件已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊粋€重要組成部分。今天介紹的即為占據(jù)率半導體器件重要份額的IGBT。IGBT是目前大功率開關(guān)元器件中最為成熟，也是應(yīng)用最為廣泛的功率器件，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，是能源變換與傳輸?shù)暮诵钠骷Ｍ瑫r具有高頻率、高電壓、大電流，易于開關(guān)等優(yōu)良性能的IGBT，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、通信及消費電子領(lǐng)域，未來的市場需求空間很大。

1、IGBT的定義

IGBT：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(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

IGBT，作為一種先進的半導體器件，具有三個關(guān)鍵的端子：發(fā)射極、集電極和柵極(發(fā)射極emitter、集電極collector和柵極gate)。每個端子都配備了金屬層，其中柵極端子的金屬層上覆蓋有一層二氧化硅，這是其獨特的結(jié)構(gòu)特點之一。

逆變器IGBT是一種復(fù)雜的四層半導體器件，它通過巧妙地結(jié)合PNP和NPN晶體管，形成了獨特的PNPN排列。

具體來說，IGBT的結(jié)構(gòu)從集電極側(cè)開始，最靠近的是(p+)襯底，也稱為注入?yún)^(qū)。注入?yún)^(qū)上方是N漂移區(qū)，包含N層，這一區(qū)域的主要作用是允許大部分載流子(空穴電流)從(p+)注入到N-層。N漂移區(qū)的厚度對于決定IGBT的電壓阻斷能力至關(guān)重要。

在N漂移區(qū)的上方，是體區(qū)，由(p)襯底構(gòu)成，靠近發(fā)射極。在體區(qū)內(nèi)部，有一個(n+)層。注入?yún)^(qū)與N漂移區(qū)之間的連接點被稱為J2結(jié)，而N區(qū)和體區(qū)之間的連接點則是J1結(jié)。

值得注意的是，逆變器IGBT的結(jié)構(gòu)在拓撲上與MOS門控晶閘管相似，但二者在操作和功能上有顯著差異。與晶閘管相比，IGBT在操作上更為靈活，因為它在整個設(shè)備操作范圍內(nèi)只允許晶體管操作，而不需要像晶閘管那樣在零點交叉時等待快速開關(guān)。這種特性使得IGBT在逆變器等應(yīng)用中更加受到青睞，因為它能夠提供更高效、更可靠的開關(guān)性能。

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是通過激活或停用其柵極端子來開啟或關(guān)閉。

如果正輸入電壓通過柵極，發(fā)射極保持驅(qū)動電路開啟。另一方面，如果 IGBT 的柵極端電壓為零或略為負，則會關(guān)閉電路應(yīng)用。

由于 IGBT 既可用作 BJT 又可用作 MOS管，因此它實現(xiàn)的放大量是其輸出信號和控制輸入信號之間的比率。

對于傳統(tǒng)的 BJT，增益量與輸出電流與輸入電流的比率大致相同，我們將其稱為 Beta 并表示為 β。

另一方面，對于 MOS管，沒有輸入電流，因為柵極端子是主通道承載電流的隔離。我們通過將輸出電流變化除以輸入電壓變化來確定 IGBT 的增益。

關(guān)于體二極管(或寄生二極管、續(xù)流二極管)在MOSFET中的作用，存在兩種不同的解釋。

1、在MOSFET中，寄生二極管扮演著至關(guān)重要的角色。它能夠防止VDD過壓時MOS管被燒壞。具體來說，當過壓情況出現(xiàn)并可能對MOS管造成損害之前，這個二極管會先進行反向擊穿，將大電流直接引入地線，從而有效地保護了MOS管。

2、此外，寄生二極管還能防止MOS管的源極和漏極反接導致的燒壞。同時，在電路中出現(xiàn)反向感生電壓時，它能為該電壓提供一條通路，進而避免反向感生電壓對MOS管的擊穿。

MOSFET以其高輸入阻抗、快速開關(guān)速度、出色的熱穩(wěn)定性以及電壓控制電流等特點，在電路中常被用作放大器、電子開關(guān)等核心組件。