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IGBT原來是這么玩的!

嵌入式微處理器
2021-04-12 00:52
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多子與少子器件

傳統(tǒng)的功率器件根據(jù)主要導電載流子一般分為多子和少子器件,少子器件主要包括二極管,BJT,晶閘管,GTO等,這些器件導通的時候電流至少經(jīng)過一個PN節(jié),并且電子和空穴同時導電,其都是進入對應的PN區(qū)的少數(shù)載流子,最終形成電流。

多子器件主要有MOSFET,肖特基二極管等,這些器件都是半導體中的多數(shù)載流子導電,且一般只有一種載流子導電。

兩者的區(qū)別如下 :

1)多子器件主要靠多數(shù)載流子導電,而少子器件主要是靠電子和空穴同時導電。

2)多子器件相對少子器件開關速度要快,因為少子器件的PN節(jié)存在載流子的積累和清除過程,相當于不僅要對勢壘電容充放電還需要跟擴散電容充放電。

3)少子器件其管壓降是負溫度系數(shù),溫度越高其漏電流也越大;而多子導通壓降為正溫度系數(shù),溫度升高使得N型(或者P型)半導體中的粒子運動頻率加快,從而阻力加大,壓降升高。所以少子器件不利于并聯(lián),而多子器件更適合并聯(lián),原因如下:


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絕緣柵雙極晶體管

絕緣柵雙極晶體管就是我們常說的IGBT,可以說它是MOSFET的高壓改進版本,MOSFET在低壓情況下性能能表現(xiàn)得非常得優(yōu)秀,但高壓下導通壓降太高,損耗也就會太大。

為什么壓降太大呢?

上面標注的PN節(jié)壓降區(qū)由于需要承受較大的電壓,所以其右側的N區(qū)需要做得較大,且摻雜濃度也更高,壓降就越大。因此高壓MOSFET通過的電流一般都不能太大。

為了解決MOSFET高壓情況下電流不能太大的問題,就有了IGBT。

IGBT僅僅只是在MOSFET的右側增加了一個P區(qū),剛好右側PN形成了一個正向PN節(jié),所以一旦出現(xiàn)溝道其可以直接導通。

但是新增的PN節(jié)怎么就降低MOSFET壓降了呢?

根據(jù)電導調制效應,右側PN節(jié)正偏會導致P中大量空穴向N中移動,使得右側N中的空穴濃度大大提高,導通壓降也會降低,電阻降低,這樣就獲得耐壓高,壓降低的性能特點。

導通和關閉過程都是由等效MOSFET部分來控制,而等效PNP三極管只是通過電導調制效應來降低電阻率。

但是這樣的結構在關斷的過程中還是存在PN節(jié)的釋放擴散區(qū)載流子的過程,所以會帶來電流的拖尾現(xiàn)象,當然損耗相對MOSFET也會升高。

說到底IGBT是一種MOSFET與BJT的復合器件,都通過犧牲一部分各自的優(yōu)勢來進行互補,從而得到了一種更性能綜合的器件。

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小節(jié)

最后MOSFET一般工作頻率在50KHz以上,而IGBT一般只能在20KHz以下,所以IGBT的PN節(jié)限制了其速度,同時也降低了壓降,能夠在高壓下通過更大的電流。

IGBT也是壓控器件,不過1KW一下一般還是選MOSFET,2MW一下首選IGBT,更高的話就選擇IGCT和IECT等。

    
END

來源:嵌入式情報局,作者:情報E哥

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