一文知道IGBT和MOSFET的工作區(qū)命名

來(lái)源：公眾號(hào) 耿博士電力電子技術(shù)

搞電力電子的應(yīng)該都知道IGBT和MOSFET屬于全控型電力電子器件，在應(yīng)用的時(shí)候把它當(dāng)作一個(gè)開關(guān)就可以了，但估計(jì)很少人能夠說(shuō)出IGBT和MOSFET工作區(qū)的命名和區(qū)別，同時(shí)由于不同參考書對(duì)工作區(qū)的命名又有很多種，很容易讓人混淆。通過(guò)對(duì)IGBT和MOSFET工作區(qū)命名的解析能夠幫助我們加深對(duì)器件的理解。因此，老耿覺得有必要單獨(dú)將這個(gè)話題拿出來(lái)討論一下。

讓我們先來(lái)看看MOSFET輸出特性曲線的幾個(gè)工作區(qū)：

圖1.MOSFET輸出特性曲線

①正向阻斷區(qū)（也稱為截止區(qū)，夾斷區(qū)）：

當(dāng)柵極電壓Vgs＜Vgs（th）時(shí)，MOSFET溝道被夾斷，漏極電流Id=0，管子不工作。

②恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)、有源區(qū)、線性放大區(qū)）

當(dāng)柵極電壓Vgs≥Vgs（th），且漏極電壓Vds》Vgs-Vgs（th），為圖1中預(yù)夾斷軌跡右側(cè)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)，當(dāng)Vgs一定時(shí)，漏極電流Id幾乎不隨漏源電壓Vds變化，呈恒流特性，因此稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)（漏極電流Id飽和）。

由于該區(qū)域內(nèi)，Id僅受Vgs控制，這時(shí)MOSFET相當(dāng)于一個(gè)受柵極電壓Vgs控制的電流源，當(dāng)MOSFET用于放大電路時(shí)，一般就工作在該區(qū)域，所以也稱為放大區(qū)。

至于為什么也稱為有源區(qū)（activeregion），主要是由于MOSFET屬于有源器件（activecomponents），有源器件一般用來(lái)信號(hào)放大、變換等。只有在該區(qū)域才能夠體現(xiàn)出柵極電壓對(duì)器件的控制作用，當(dāng)器件完全導(dǎo)通或截止時(shí)，柵極電壓基本失去了對(duì)器件的控制作用，因此部分書籍也將activeregion翻譯為主動(dòng)控制區(qū)。

③歐姆區(qū)（也稱為可變電阻區(qū)、非飽和區(qū)）：

當(dāng)柵極電壓Vgs≥Vgs（th），且Vds＜Vgs-Vgs（th）時(shí)，為圖中預(yù)夾斷軌跡左邊的區(qū)域，在該區(qū)域Vds值較小，溝道電阻基本上僅受Vgs控制。

當(dāng)柵極電壓Vgs一定時(shí)，Id與Vds成線性關(guān)系，表現(xiàn)為電阻特性，因此稱為歐姆區(qū)。

當(dāng)漏極電壓Vds一定時(shí)，MOSFET相當(dāng)于一個(gè)受柵極電壓Vgs控制的可變電阻，因此叫做可變電阻區(qū)。有些書籍也將該區(qū)稱為非飽和區(qū)，非飽和是指漏源電壓Vds增加時(shí)漏極電流Id也相應(yīng)增加，與上面提到的飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。

④雪崩擊穿區(qū)：

當(dāng)漏源Vds大于某一特定最高允許的電壓Vbrdss時(shí)，MOSFET會(huì)出現(xiàn)雪崩擊穿，器件會(huì)損壞。

⑤反向?qū)▍^(qū)：

MOSFET反向運(yùn)行特性表現(xiàn)為一個(gè)類似二極管的特性曲線，主要是由體內(nèi)寄生二極管造成的，有些MOSFET為了改善寄生二極管的特性，會(huì)專門反并聯(lián)一個(gè)外部二極管，這時(shí)候MOSFET的反向特性就主要取決于反并聯(lián)二極管的正向?qū)ㄌ匦粤恕?/p>

讓我們?cè)賮?lái)看一下IGBT輸出特性曲線的幾個(gè)工作區(qū)：

圖2.IGBT輸出特性曲線

①正向阻斷區(qū)（截止區(qū)）：

當(dāng)門極電壓Vge＜Vge（th），IGBT內(nèi)部MOS溝道被夾斷，IGBT工作在截止區(qū)，由于外部電壓Vce的存在，此時(shí)IGBT集電極-發(fā)射極之間存在很小的漏電流Ices。

②有源區(qū)（線性放大區(qū)）：

當(dāng)門極電壓Vge≥Vge（th），且Vce》Vge-Vge（th）時(shí)，IGBT工作在圖2預(yù)夾斷軌跡右側(cè)區(qū)域，此時(shí)流入到N-基區(qū)的電子電流In受到門極電壓的控制，進(jìn)而限制了IGBT內(nèi)部PNP晶體管的基極電流，最終空穴電流Ip也受到限制，因此該區(qū)域的IGBT集電極電流Ic會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)（類似MOSFET），至于IGBT為什么不稱該區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，可能是為了與導(dǎo)通后的電壓飽和區(qū)分開。

由于該區(qū)域IGBT的集電極電流主要受門極電壓控制，因此也稱為放大區(qū)或有源區(qū)。我們常說(shuō)的有源門極驅(qū)動(dòng)或主動(dòng)門極控制指的就是控制IGBT在該區(qū)域的開關(guān)軌跡。IGBT在有源區(qū)損耗會(huì)很大，應(yīng)該盡快跨過(guò)該區(qū)域。

③飽和區(qū)：

當(dāng)Vge≥Vge（th），且Vce＜Vge-Vge（th）時(shí)，IGBT處于飽和區(qū)（電壓飽和），該區(qū)域集電極電流基本不再受門極電壓控制，主要由外部電路決定。該區(qū)域的曲線和MOS類似，但是名字卻不一樣，主要是因?yàn)镮GBT完全導(dǎo)通后的飽和壓降主要取決于電導(dǎo)調(diào)制，而MOS的導(dǎo)通壓降主要取決于漏極電流（呈電阻特性）。

④雪崩擊穿區(qū)：

當(dāng)IGBT的集電極-發(fā)射極電壓Vce大于某一特定最高允許電壓Vbrces時(shí)，IGBT會(huì)出現(xiàn)雪崩擊穿，器件會(huì)損壞。

⑤反向阻斷區(qū)：

我們常用的IGBT都屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，器件的反向電壓阻斷能力要遠(yuǎn)小于IGBT的正向電壓阻斷能力。同時(shí)由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多負(fù)載都是阻感負(fù)載，在IGBT關(guān)斷時(shí)刻，必須為負(fù)載提供續(xù)流回路，因此IGBT模塊內(nèi)部都并聯(lián)了續(xù)流二極管，這樣IGBT的反向特性就取決于續(xù)流二極管的的正向?qū)ㄌ匦?。但是一些特殊的?chǎng)合需要IGBT具有雙向阻斷能力，因此，才有了反向阻斷的IGBT，也成為逆阻IGBT：RB-IGBT（ReverseBlocking），這類器件用的很少，一般很難買到，這時(shí)候你可以采用IGBT和二極管串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)同樣的功能。

通過(guò)對(duì)比可知，IGBT與MOSFET對(duì)飽和區(qū)的定義有所不同，MOSFET的飽和區(qū)指的是電流飽和，而IGBT的飽和區(qū)指的是電壓飽和，希望大家不要搞混哦。
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