igbt和电力mosfet在内部结构和开关特性

MOSFET工作原理

MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)全称金属-氧化物半导体场效应晶体管。

首先以我们最常用的N沟道增强型MOSFET进行分析

电气符号如上图所示

总共有三个电极S(source)源极，D(drain)漏极，G(grid)栅极，如图所示，其中P区是一个杂志浓度低的P型硅材料作为衬底，其上有两处高掺杂的N型区域，分别通过金属铝(图中棕黄色)引出作为漏极和源极，通常将衬底和源极接在一起使用。相互隔离的两个N区的表面覆盖有金属氧化物SiO2绝缘层，栅极与其他两个电极被绝缘开来，因此该结构称之为绝缘栅型。

当外部不加电压时，内部可视为两个反向的PN结，无法导电;当GS两端施加一个电压UGS>0时，对于P型衬底，靠近栅极G的空穴因为外电场的作用移动到下方，上方留下了很多自由电子，当增大到某一个值UGS(th)时，此时外电场增强到吸引的电子数超过该处的空穴数以后(所以称之为增强型)，与左右两边的高掺杂N区一起，形成了一个电子的导电沟道(所以称之为N型)，如下图所示。此时如果UDS间加正向电压则将产生漏极电流。

P型衬底和漏极N区相当于一个PN结，因此MOS都带有反向寄生二极管，P型衬底和源极N去短接，因此这里的PN结不存在。

用作开关管时MOS管工作于可变电阻区，此时MOS管外特性可等效为一个很小的电阻，电阻大小受GS两端电压控制，要是MOS管工作于可变电阻区需要对外电路进行分析，一般应外加栅源电压VGS大于外电路负载线与最小电阻线交点所确定的临界栅源电压UGS(th)(具体可见陈坚电力电子学第三版P45)

IGBT工作原理

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)全称绝缘门极双极型晶体管。是由BJT(双极结型三极管)和MOSFET(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。电路符号如下图所示。

IGBT也有三个电极，栅极G、发射极E和集电极C，其简化等效电路如下所示，可以看成一个N沟道MOSFET和PNP型晶体管以达林顿形式复合而成。

当UGE=0时，MOSFET管内无导电沟道，MOSFET处于断态，Ic=0，;当UGE>0时，提供了晶体管的基极电流ID，控制了IGBT集电极电流Ic，当UGE足够大时，T1饱和导通，IGBT进入通态。

MOSFET和IGBT的异同

两者都属于电压控制型器件。

MOSFET通、断驱动控制功率很小，开关速度快，但是通态压降大，导通损耗大，难以制成高压大电流器件。

电力晶体管BJT通、断驱动控制功率很大，开关速度不够快，但通态压降小，可以制成较高电压和较大电流的开关元件。

因此IGBT结合了两者的优点：高输入阻抗，电压控制、驱动功率小，开关速度快，工作频率一般小于MOSFET大于电力晶体管，可达到10-40kHz。

应用场景

MOSFET：高频低压小功率

IGBT：中低频高压大功率

一般IGBT的驱动电压比MOS管高一些