MOS管和IGBT管有什么区别？

发布时间：2024-02-27 10:53
作者：AMEYA360
来源：网络
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　　在电路设计中，MOS管和IGBT管会经常出现，它们都可以作为开关元件来使用，MOS管和IGBT管在外形及特性参数也比较相似，那为什么有些电路用MOS管?而有些电路用IGBT管? 下面我们就来了解一下，MOS管和IGBT管到底有什么区别吧!

　　什么是MOS管?

　　场效应管主要有两种类型，分别是结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管(MOS管)。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　MOS管即MOSFET，中文全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，所以又叫绝缘栅场效应管。 MOSFET又可分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　如上图，MOSFET种类与电路符号。

　　有的MOSFET内部会有个二极管，这是体二极管，或者叫寄生二极管、续流二极管。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　关于寄生二极管的作用，有两种解释：

　　MOSFET的寄生二极管，作用是防止VDD过压的情况下，烧坏MOS管，因为在过压对MOS管造成破坏之前，二极管先反向击穿，将大电流直接到地，从而避免MOS管被烧坏。

　　防止MOS管的源极和漏极反接时烧坏MOS管，也可以在电路有反向感生电压时，为反向感生电压提供通路，避免反向感生电压击穿MOS管。

　　MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特性，在电路中，可以用作放大器、电子开关等用途。

　　什么是IGBT?

　　IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由晶体三极管和MOS管组成的复合型半导体器件。

　　IGBT作为新型电子半导体器件，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，在各种电子电路中获得极广泛的应用。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　IGBT的电路符号至今并未统一，画原理图时一般是借用三极管、MOS管的符号，这时可以从原理图上标注的型号来判断是IGBT还是MOS管。 同时还要注意IGBT有没有体二极管，图上没有标出并不表示一定没有，除非官方资料有特别说明，否则这个二极管都是存在的。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　IGBT内部的体二极管并非寄生的，而是为了保护IGBT脆弱的反向耐压而特别设置的，又称为FWD(续流二极管)。 判断IGBT内部是否有体二极管也并不困难，可以用万用表测量IGBT的C极和E极，如果IGBT是好的，C、E两极测得电阻值无穷大，则说明IGBT没有体二极管。

　　IGBT非常适合应用于如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

　　MOS管和IGBT的结构特点

　　MOS管和IGBT管的内部结构如下图所示。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　IGBT是通过在MOSFET的漏极上追加层而构成的。

　　IGBT的理想等效电路如下图所示，IGBT实际就是MOSFET和晶体管三极管的组合，MOSFET存在导通电阻高的缺点，但IGBT克服了这一缺点，在高压时IGBT仍具有较低的导通电阻。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　另外，相似功率容量的IGBT和MOSFET，IGBT的速度可能会慢于MOSFET，因为IGBT存在关断拖尾时间，由于IGBT关断拖尾时间长，死区时间也要加长，从而会影响开关频率。选择MOS管还是IGBT?

　　在电路中，选用MOS管作为功率开关管还是选择IGBT管，这是工程师常遇到的问题，如果从系统的电压、电流、切换功率等因素作为考虑，可以总结出以下几点：

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　也可从下图看出两者使用的条件，阴影部分区域表示MOSFET和IGBT都可以选用，“?”表示当前工艺还无法达到的水平。

MOS管和IGBT管有什么区别？

　　总的来说，MOSFET优点是高频特性好，可以工作频率可以达到几百kHz、上MHz，缺点是导通电阻大在高压大电流场合功耗较大;而IGBT在低频及较大功率场合下表现卓越，其导通电阻小，耐压高。

　　MOSFET应用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等等高频电源领域;IGBT集中应用于焊机、逆变器、变频器、电镀电解电源、超音频感应加热等领域。

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　　选择到一款正确的MOS管，可以很好地控制生产制造成本，最为重要的是，为产品匹配了一款最恰当的元器件，这在产品未来的使用过程中，将会充分发挥其“螺丝钉”的作用，确保设备得到最高效、最稳定、最持久的应用效果。　　那么面对市面上琳琅满目的MOS管，该如何选择呢?下面，我们就分7个步骤来阐述MOS管的选型要求。　　首先是确定N、P沟道的选择　　MOS管有两种结构形式，即N沟道型和P沟道型，结构不一样，使用的电压极性也会不一样，因此，在确定选择哪种产品前，首先需要确定采用N沟道还是P沟道MOS管。　　在典型的功率应用中，当一个MOS管接地，而负载连接到干线电压上时，该MOS管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOS管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。　　当MOS管连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOS管，这也是出于对电压驱动的考虑。　　要选择适合应用的器件，必须确定驱动器件所需的电压，以及在设计中最简易执行的方法。　　第二步是确定电压　　额定电压越大，器件的成本就越高。从成本角度考虑，还需要确定所需的额定电压，即器件所能承受的最大电压。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或总线电压，一般会留出1.2~1.5倍的电压余量，这样才能提供足够的保护，使MOS管不会失效。　　就选择MOS管而言，必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压，即最大VDS。由于MOS管所能承受的最大电压会随温度变化而变化，设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。　　此外，设计工程师还需要考虑其他安全因素：如由开关电子设备(常见有电机或变压器)诱发的电压瞬变。另外，不同应用的额定电压也有所不同;通常便携式设备选用20V的MOS管，FPGA电源为20～30V的MOS管，85～220V AC应用时MOS管VDS为450～600V。　　第三步为确定电流　　确定完电压后，接下来要确定的就是MOS管的电流。需根据电路结构来决定，MOS管的额定电流应是负载在所有情况下都能够承受的最大电流;与电压的情况相似，MOS管的额定电流必须能满足系统产生尖峰电流时的需求。　　电流的确定需从两个方面着手：连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOS管处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。　　选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOS管并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，也就是导通损耗。MOS管在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的导通电阻RDS(ON)所确定，并随温度而显著变化。　　器件的功率损耗PTRON=Iload2×RDS(ON)计算(Iload：最大直流输出电流)，由于导通电阻会随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOS管施加的电压VGS越高，RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。　　对系统设计人员来说，这就需要折中权衡。　　对便携式设计来说，采用较低的电压即可(较为普遍);而对于工业设计来说，可采用较高的电压。需要注意的是，RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。　　技术对器件的特性有着重大影响，因为有些技术在提高最大VDS(漏源额定电压)时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术，其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。　　在沟道技术中，晶片中嵌入了一个深沟，通常是为低电压预留的，用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响，开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如，飞兆半导体开发的SupeRFET技术，针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。　　这种对RDS(ON)的关注十分重要，因为当标准MOSFET的击穿电压升高时，RDS(ON)会随之呈指数级增加，并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。　　这样，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在击穿电压达到600V的情况下，实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说，这意味着封装尺寸的大幅减小。　　第四步是确定热要求　　在确定电流之后，就要计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况：最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据，比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。　　器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积，即结温=最大环境温度+(热阻×功率耗散)。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散=I2×RDS(ON)。　　由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。　　雪崩击穿(指半导体器件上的反向电压超过最大值，并形成强电场使器件内电流增加)形成的电流将耗散功率，使器件温度升高，而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试，计算其雪崩电压，或对器件的稳健性进行测试。　　计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法，另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。除计算外，技术对雪崩效应也有很大影响。例如，晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力，最终提高器件的稳健性。对最终用户而言，这意味着要在系统中采用更大的封装件。　　第五步是确定开关性能　　选择MOS管的最后一步是确定其开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。因为在每次开关时都要对这些电容充电，会在器件中产生开关损耗;MOS管的开关速度也因此被降低，器件效率随之下降;其中，栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。　　为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)，进而推导出MOS管开关总功率：Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。　　第六步为封装因素考量　　不同的封装尺寸MOS管具有不同的热阻和耗散功率，需要考虑系统的散热条件和环境温度(如是否有风冷、散热器的形状和大小限制、环境是否封闭等因素)，基本原则就是在保证功率MOS管的温升和系统效率的前提下，选取参数和封装更通用的功率MOS管。　　常见的MOS管封装有：　　①插入式封装：TO-3P、TO-247、TO-220、TO-220F、TO-251、TO-92;　　②表面贴装式：TO-263、TO-252、SOP-8、SOT-23、DFN。　　不同的封装形式，MOS管对应的极限电流、电压和散热效果都会不一样，简单介绍如下。　　TO-3P/247：是中高压、大电流MOS管常用的封装形式，产品具有耐压高、抗击穿能力强等特点，适于中压大电流(电流10A以上、耐压值在100V以下)在120A以上、耐压值200V以上的场所中使用。　　TO-220/220F：这两种封装样式的MOS管外观差不多，可以互换使用，不过TO-220背部有散热片，其散热效果比TO-220F要好些，价格相对也要贵些。这两个封装产品适于中压大电流120A以下、高压大电流20A以下的场合应用。　　TO-251：该封装产品主要是为了降低成本和缩小产品体积，主要应用于中压大电流60A以下、高压7N以下环境中。　　TO-92：该封装只有低压MOS管(电流10A以下、耐压值60V以下)和高压1N60/65在采用，主要是为了降低成本。　　TO-263：是TO-220的一个变种，主要是为了提高生产效率和散热而设计，支持极高的电流和电压，在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。　　TO-252：是目前主流封装之一，适用于高压在7N以下、中压在70A以下环境中。　　SOP-8：该封装同样是为降低成本而设计，一般在50A以下的中压、60V左右的低压MOS管中较为多见。　　SOT-23：适于几A电流、60V及以下电压环境中采用，其又分有大体积和小体积两种，主要区别在于电流值不同。　　DFN：体积上，较SOT-23大，但小于TO-252，一般在低压和30A以下中压MOS管中有采用，得益于产品体积小，主要应用于DC小功率电流环境中。　　第七步要选择好品牌　　MOS管的生产企业很多，大致说来，主要有欧美系、日系、韩系、台系、国产几大系列。　　欧美系代表企业：IR、ST、仙童、安森美、TI、PI、英飞凌等;　　日系代表企业：东芝、瑞萨、新电元等;　　韩系代表企业：KEC、AUK、美格纳、森名浩、威士顿、信安、KIA等;　　台系代表企业：APEC、CET;　　国产代表企业：吉林华微、士兰微、华润华晶、东光微、深爱半导体等。　　在这些品牌中，以欧美系企业的产品种类最全、技术及性能最优，从性能效果考虑，是为MOS管的首选;以瑞萨、东芝为代表的日系企业也是MOS管的高端品牌，同样具有很强的竞争优势;这些品牌也是市面上被仿冒最多的。另外，由于品牌价值、技术优势等原因，欧美系和日系品牌企业的产品价格也往往较高。　　韩国和中国台湾的MOS管企业也是行业的重要产品供应商，不过在技术上，要稍弱于欧美及日系企业，但在价格方面，较欧美及日系企业更具优势;性价比相对高很多。　　而在中国大陆，同样活跃着一批本土企业，他们借助更低的成本优势和更快的客户服务响应速度，在中低端及细分领域具有很强的竞争力，部分实现了国产替代;目前也在不断冲击高端产品线，以满足本土客户的需求。另外，本土企业还通过资本运作，成功收购了安世半导体等国际知名的功率器件公司，将更好地满足本土对功率器件的需求。　　小结　　小到选N型还是P型、封装类型，大到MOSFET的耐压、导通电阻等，不同的应用需求千变万化，工程师在选择MOS管时，一定要依据电路设计需求及MOS管工作场所来选取合适的MOS管，从而获得最佳的产品设计体验。当然，在考虑性能的同时，成本也是选择的因素之一，只有高性价比的产品，才能让工程师设计的产品在品质与收益中达到平衡。
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功率MOS管总烧毁的原因有哪些

　　MOS 管可能会遭受与其他功率器件相同的故障，例如过电压(半导体的雪崩击穿)、过电流(键合线或者衬底熔化)、过热(半导体材料由于高温而分解)。　　更具体的故障包括栅极和管芯其余部分之前的极薄氧化物击穿，这可能发生在相对于漏极或者源极的任何过量栅极电压中，可能是在低至10V-15V 时发生，电路设计必须将其限制在安全水平。　　还有可能是功率过载，超过绝对最大额定值和散热不足，都会导致MOS管发生故障。　　接下来就来看看所有可能导致失效的原因。　　过电压　　MOS管对过压的耐受性非常小，即使超出额定电压仅几纳秒，也可能导致设备损坏。　　MOS管的额定电压应保守地考虑预期的电压水平，并应特别注意抑制任何电压尖峰或振铃。　　长时间电流过载　　由于导通电阻相对较高，高平均电流会在MOS管中引起相当大的热耗散。　　如果电流非常高且散热不良，则MOS管可能会因温升过高而损坏。　　MOS管可以直接并联以共享高负载电流。　　瞬态电流过载　　持续时间短、大电流过载会导致MOS管器件逐渐损坏，但是在故障发生前MOS管的温度几乎没有明显升高，不太能察觉出来。(也可以看下面分析的直通和反向恢复部分)　　击穿(交叉传导)　　如果两个相对MOS管的控制信号重叠，则可能会出现两个MOS管同时导通的情况，这会使电源短路，也就是击穿条件。　　如果发生这种情况，每次发生开关转换时，电源去耦电容都会通过两个器件快速放电，这会导致通过两个开关设备的电流脉冲非常短但非常强。　　通过允许开关转换之间的死区时间(在此期间两个MOS管均不导通)，可以最大限度地减少发生击穿的机会，这允许一个MOS管在另一个MOS管打开之前关闭。　　没有续流电流路径　　当通过任何电感负载(例如特斯拉线圈)切换电流时，电流关闭时会产生反电动势。在两个开关设备都没有承载负载电流时，必须为此电流提供续流路径。　　该电流通常通过与每个开关器件反并联连接的续流二极管安全地引导回电源轨道。　　当MOS管用作开关器件时，工程师可以简单获得MOS管固有体二极管形式的续流二极管，这解决了一个问题，但创造了一个全新的问题......　　MOS管体二极管的缓慢反向恢复　　诸如特斯拉线圈之类的高 Q 谐振电路能够在其电感和自电容中存储大量能量。　　在某些调谐条件下，当一个MOS管关闭而另一个器件打开时，这会导致电流“续流”通过 MOS管的内部体二极管。　　这个原本不是什么问题，但当对面的MOS管试图开启时，内部体二极管的缓慢关断(或反向恢复)就会出现问题。　　与MOS管 自身的性能相比，MOS管 体二极管通常具有较长的反向恢复时间。如果一个 MOS管的体二极管在对立器件开启时导通，则类似于上述击穿情况发生“短路”。　　这个问题通常可以通过在每个MOS管周围添加两个二极管来缓解。　　首先，肖特基二极管与MOS管源极串联，肖特基二极管可防止MOS管体二极管被续流电流正向偏置。其次，高速(快速恢复)二极管并联到MOS管/肖特基对，以便续流电流完全绕过MOS管和肖特基二极管。　　这确保了MOS管体二极管永远不会被驱动导通，续流电流由快恢复二极管处理，快恢复二极管较少出现“击穿”问题。　　过度的栅极驱动　　如果用太高的电压驱动MOS管栅极，则栅极氧化物绝缘层可能会被击穿，从而导致MOS管无法使用。　　超过 +/- 15 V的栅极-源极电压可能会损坏栅极绝缘并导致故障，应注意确保栅极驱动信号没有任何可能超过最大允许栅极电压的窄电压尖峰。　　栅极驱动不足(不完全开启)　　MOS管只能切换大量功率，因为它们被设计为在开启时消耗最少的功率。工程师应该确保MOS管硬开启，以最大限度地减少传导期间的耗散。　　如果MOS管未完全开启，则设备在传导过程中将具有高电阻，并且会以热量的形式消耗大量功率，10到15伏之间的栅极电压可确保大多数MOS管完全开启。　　缓慢的开关转换　　在稳定的开启和关闭状态期间耗散的能量很少，但在过渡期间耗散了大量的能量。因此，应该尽可能快地在状态之间切换以最小化切换期间的功耗。由于MOS管栅极呈现电容性，因此需要相当大的电流脉冲才能在几十纳秒内对栅极进行充电和放电，峰值栅极电流可以高达一个安培。　　杂散振荡　　MOS管 能够在极短的时间内切换大量电流，输入也具有相对较高的阻抗，这会导致稳定性问题。在某些条件下，由于周围电路中的杂散电感和电容，高压MOS管会以非常高的频率振荡。(频率通常在低 MHz)，但这样是非常不受欢迎的，因为它是由于线性操作而发生的，并且代表了高耗散条件。　　这种情况可以通过最小化MOS管周围的杂散电感和电容来防止杂散振荡，还应使用低阻抗栅极驱动电路来防止杂散信号耦合到器件的栅极。　　“米勒”效应　　MOS管在其栅极和漏极端子之间具有相当大的“米勒电容”。在低压或慢速开关应用中，这种栅漏电容很少引起关注，但是当高压快速开关时，它可能会引起问题。　　当底部器件的漏极电压由于顶部MOS管的导通而迅速上升时，就会出现潜在问题。　　这种高电压上升率通过米勒电容电容耦合到MOS管的栅极，会导致底部MOS管的栅极电压上升，从而导致MOS管也开启，就会存在击穿情况，即使不是立即发生，也可以肯定MOS管故障。　　米勒效应可以通过使用低阻抗栅极驱动器来最小化，该驱动器在关闭状态时将栅极电压钳位到 0 伏，这减少了从漏极耦合的任何尖峰的影响。在关断状态下向栅极施加负电压可以获得进一步的保护。例如，向栅极施加 -10 V电压将需要超过12V的噪声，以冒开启本应关闭的MOS管的风险。　　对控制器的辐射干扰　　想象一下，将 1pF 的电容从你的火花特斯拉线圈的顶部连接到固态控制器中的每个敏感点的效果，存在的数百千伏射频可以毫无问题地驱动大量电流通过微型电容器直接进入控制电路。　　如果控制器没有放置在屏蔽外壳中，这就是实际会发生的情况。　　控制电路的高阻抗点几乎不需要杂散电容即可导致异常操作，但运行不正常的控制器可能会尝试同时打开两个相反的MOS管 ，控制电子设备的有效射频屏蔽至关重要。　　分离电源和控制电路也是非常理想的，电源开关电路中存在的快速变化的电流和电压仍然具有辐射显着干扰的能力。　　对控制器的传导干扰　　大电流的快速切换会导致电源轨上的电压骤降和瞬态尖峰。如果电源和控制电子设备共用一个或多个电源轨，则可能会对控制电路产生干扰。　　良好的去耦和中性点接地是应该用来减少传导干扰影响的技术。作用于驱动MOS管的变压器耦合在防止电噪声传导回控制器方面非常有效。　　静电损坏　　安装MOS管或IGBT器件时，应采取防静电处理措施，以防止栅氧化层损坏。　　高驻波比　　这里要着重说一下，来自一位专业射频工程师的解释。　　在脉冲系统中，VSWR不像在CW系统中那么大，但仍然是一个问题。　　在CW系统中，典型的发射器设计用于50欧姆的电阻输出阻抗。工程师通过某种传输线连接到负载，希望负载和线路也是50欧姆，并且电力沿电线很好地流动。　　但如果负载阻抗不是50欧姆，那么一定量的功率会从阻抗不连续处反射回来。但反射功率会导致几个潜在问题：　　1、发射器看起来像一个负载并吸收了所有的功率，这不是一个好的现象。　　例如，你的放大器效率为80%，你输入的功率1KW，通常情况下，设备的功耗为200W，最终的功耗为800W，如果所有800W的功耗都被反射回来，忽然之间，这些设备就需要消耗全部的功耗。　　2、前向波和反射波的组合会在传输线中产生驻波，在相距1/2波长的点处会变得非常高，从而导致击穿或者其他不良情况，这本质上是表现负载阻抗不是预期的结果。　　如果你有一个射频电源在几十兆赫兹，你可以装配一个开放的平行线传输线，在脉冲系统中，你可能会遇到沿线路传播的脉脉冲、阻抗不连续性、反射回以及与发送的下一个脉冲相加的问题。　　反射脉冲是相同极性还是不同极性取决于距离和相对阻抗。　　如果你有几个不匹配，可能会得到很多来回移动的脉冲，这些脉冲会加强或者取消。这个对于商业配电来说是一个真正的大问题，因为沿线路的传播时间是线路频率周期的很大一部分，当断路器打开和关闭以及雷击时会引起问题。　　以上就是关于MOS管烧毁的原因分析。
2024-01-15 15:39 阅读量：1204
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