MOS管，IGBT，以及三極管他們有什么區(qū)別？
mos管、igbt、三極管比較，mos開關(guān)速度最快，三極管最慢，而igbt內(nèi)部是靠mos管先開通驅(qū)動三極管開通（這個原理決定了它的開關(guān)速度比mos慢，比三極管快，和幾代技術(shù)無關(guān)）。mos管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內(nèi)阻迅速增大（不是線性增大），所以高壓下內(nèi)阻很大，不能做大功率應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展，無論mos管還是igbt管，它們的各種參數(shù)仍在優(yōu)化。目前igbt技術(shù)主要是歐美和日本壟斷，國內(nèi)最近2年也幾個公司研究工藝，但目前都不算成熟，所以igbt基本都是進口。igbt的制造成本比mos高很多，主要是多了薄片背面離子注入，薄片低溫退火（最好用激光退火），而這兩個都需要專門針對薄片工藝的昂貴的機臺（wafer一般厚度150um-300um之間）。
在低壓下 igbt相對mos管在電性能和價格上都沒有優(yōu)勢，所以基本上看不到低壓igbt，并不是低壓的造不出來，而是毫無性價比。在600v以上，igbt的優(yōu)勢才明顯，電壓越高，igbt越有優(yōu)勢，電壓越低，mos管越有優(yōu)勢。導(dǎo)通壓降，一般低壓mos管使用都控制在0.5v以下（基本不會超過1v的）。比如ir4110，內(nèi)阻4毫歐姆，給它100a的導(dǎo)通電流，導(dǎo)通壓降是0.4v左右。
mos開關(guān)速度快，意味著開關(guān)損耗?。ㄩ_關(guān)發(fā)熱?。瑯?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流導(dǎo)通壓降低，意味著導(dǎo)通損耗小（還是發(fā)熱?。?。
上面說的是低壓狀況。高壓情況就差很多了。
開關(guān)速度無論高壓低壓都是mos最快。 但高壓下mos的導(dǎo)通壓降很大，或者說mos管內(nèi)阻隨耐壓升高迅速升高，比如600v 耐壓的coolmos，導(dǎo)通電阻都是幾百毫歐姆或幾歐姆，這樣它的耐流也很?。ㄍㄟ^大電流就會燒掉），一般耐流幾安或者幾十安培。而igbt在高耐壓壓下，導(dǎo)通壓降幾乎沒明顯增大（原因還是主要導(dǎo)通電流是通過三極管），所以高壓下igbt優(yōu)勢明顯，既有高開關(guān)速度（盡管比mos管慢，但是開關(guān)比三極管快很多），又有三極管的大電流特性。
目前市場上新生代的EUV-X器件的IGBT飽和（導(dǎo)通）壓降也能做到1.2V以下了。比先代IGBT的2.7~3.2V下降不少了， 幾乎與VMOS 相差無幾了。而IGBT的優(yōu)點——開關(guān)速度高（納秒級），通態(tài)壓降低，開關(guān)損耗小（功率損耗是第一代的五分之一），耐脈沖電流沖擊力強，且耐壓高，驅(qū)動功率小等優(yōu)點更加突出。已集雙極型晶體管（GTR）和單極型MOSFET優(yōu)點于一身。 未來的低成本，低壓型（耐壓200~300v）的IGBT電動車驅(qū)動模塊，排除價格因素，普遍應(yīng)用IGBT模塊也應(yīng)是遲早的事。
在需要耐壓超過150V的使用條件下，MOS管已經(jīng)沒有任何優(yōu)勢！以典型的IRFS4115為例：VDS-150V，ID-105A（Tj=25攝氏度，這個唬人指標(biāo)其實毫無實際使用價值），RDS-11.8 m 歐姆;與之相對應(yīng)的 即使是第四代的IGBT型SKW30N60對比；都以150V，20A的電流，連續(xù)工況下運行，前者開關(guān)損耗6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不到五分之一的開關(guān)損耗！就這點，能為用戶省去多少煩惱？要是都用極限工作條件，二者功率負荷相差更懸殊！其實，很多時候，我們的影像中，還停留在多年前的IGBT的概念中。。。更不必比較現(xiàn)在的六，七代及以后的IGBT技術(shù)指標(biāo)了！正因為如此，有大功率需求的諸如冶金，鋼鐵，高速鐵路，船舶等領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用IGBT 元器件，很少采用MOSFET來作為功率元器件。
正向單流柵極IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計方案：
為了理解dV/dt感生開通現(xiàn)象，我們必須考慮跟IGBT結(jié)構(gòu)有關(guān)的電容。圖1顯示了三個主要的IGBT寄生電容。集電極到發(fā)射極電容C，集電極到柵極電容C和柵極到發(fā)射極電容CGE。
圖1 IGBT器件的寄生電容
這些電容對橋式變換器設(shè)計是非常重要的，大部份的IGBT數(shù)據(jù)表中都給出這些參數(shù)：
輸出電容，COES＝CCE＋CGC（CGE短路）
輸入電容，CIES＝CGC＋CGE（CCE短路）
反向傳輸電容，CRES＝CGC
圖2 半橋電路
圖2給出了用于多數(shù)變換器設(shè)計中的典型半橋電路。集電極到柵極電容C和柵極到發(fā)射極電容C組成了動態(tài)分壓器。當(dāng)高端IGBT（Q2）開通時，低端IGBT（Q1）的發(fā)射極上的dV/dt會在其柵極上產(chǎn)生正電壓脈沖。對于任何IGBT，脈沖的幅值與柵驅(qū)動電路阻抗和dV/dt的實際數(shù)值有直接關(guān)系。IGBT本身的設(shè)計對減小C和C的比例非常重要，它可因此減小dV/dt感生電壓幅值。
如果dV/dt感生電壓峰值超過IGBT的閥值，Q1產(chǎn)生集電極電流并產(chǎn)生很大的損耗，因為此時集電極到發(fā)射極的電壓很高。
為了減小dV/dt感生電流和防止器件開通，可采取以下措施：
關(guān)斷時采用柵極負偏置，可防止電壓峰值超過V，但問題是驅(qū)動電路會更復(fù)雜。
減小IGBT的CGC寄生電容和多晶硅電阻Rg’。
減小本征JFET的影響
圖3給出了為反向偏置關(guān)斷而設(shè)計的典型IGBT電容曲線。CRES曲線（及其他曲線）表明一個特性，電容一直保持在較高水平，直到V接近15V，然后才下降到較低值。如果減小或消除這種“高原”（plateau） 特性，C的實際值就可以進一步減小。
這種現(xiàn)象是由IGBT內(nèi)部的本征JFET引起的。如果JFET的影響可以最小化，C和C可隨著VCE的提高而很快下降。這可能減小實際的CRES，即減小dV/dt感生開通對IGBT的影響。
圖3 需負偏置關(guān)斷的典型IGBT的寄生電容與V的關(guān)系。
IRGP30B120KD-E是一個備較小C和經(jīng)改良JFET的典型IGBT。這是一個1200V，30A NPT IGBT。它是一個Co-Pack器件，與一個反并聯(lián)超快軟恢復(fù)二極管共同配置于TO-247封裝。
設(shè)計人員可減小多晶體柵極寬度，降低本征JFET的影響，和使用元胞設(shè)計幾何圖形，從而達到以上的目標(biāo)。
對兩種1200V NPT IGBT進行比較：一種是其他公司的需負偏置關(guān)斷的器件，一種是IR公司的NPT單正向柵驅(qū)動IRGP30B120KD-E。測試結(jié)果表明其他公司的器件在源電阻為56？下驅(qū)動時，dV/dt感生電流很大。
比較寄生電容的數(shù)據(jù)，IR器件的三種電容也有減小：
輸入電容，CIES減小25％
輸出電容，COES減小35％
反向傳輸電容，CRES減小68％
圖4 寄生電容比較
圖5顯示出IR器件的減小電容與V的關(guān)系，得出的平滑曲線是由于減小了JFET的影響。當(dāng)V＝0V時，負偏置柵驅(qū)動器件的C為1100pF，IRGP30B120KD-E只有350pF，當(dāng)VCE＝30V時，負偏置柵驅(qū)動器件的C為170pF，IRGP30B120KD-E的CRES為78pF。很明顯，IRGP30B120KD-E具有非常低的C，因此在相同的dV/dt條件下dV/dt感生電流將非常小。
圖5 IRGP30B120KD-E寄生電容與VCE的關(guān)系
圖6的電路用來比較測試兩種器件的電路性能。兩者的dV/dt感生電流波形也在相同的dV/dt值下得出。
圖6 dV/dt感生開通電流的測試電路
測試條件：
電壓率，dV/dt=3.0V/nsec
直流電壓，Vbus=600V
外部柵到發(fā)射極電阻Rg=56？
環(huán)境溫度，TA＝125°C
圖7 其他公司的IGBT的低端IGBT開關(guān)電壓和dV/dt感生電流的18A峰值
圖8 IRGP30B120KD-E IGBT的低端IGBT開關(guān)電壓和dV/dt感生電流的1.9A峰值
dV/dt感生電流的減小清楚說明單正向柵驅(qū)動設(shè)計的優(yōu)勝之處。但在這個測試中，Co-Pack二極管電流的影響并沒有完全計算在內(nèi)。為了只顯示出IGBT對整體電流的影響，我們只利用相同的分立式反并聯(lián)二極管再重復(fù)測試，如圖9中的Ice（cntrl）。
圖9 利用相同的分立式Co-Pack二極管產(chǎn)生的dV/dt感生電流
圖10顯示出在沒有IGBT情況下，負偏置柵驅(qū)動器IGBT的I電流。圖11為IRGP30B120KD-E單正向柵驅(qū)動器的I電流。兩種情況下的電流都很低，分別為1A和0.8A。
圖10 其他公司的IGBT的Co-Pack二極管內(nèi)的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流1A峰值
圖11 IRG30B120KD-E的Co-Pack二極管內(nèi)的低端IGBT的VCE和dV/dt感生電流0.8A峰值
如果從整體IGBT/二極管電流中減去圖10和圖11的二極管電流，結(jié)果是
I（負偏置柵驅(qū)動IGBT）= 18-1 = 17A
I（IRGP30B120KD-E）= 1.9-0.8 = 0.8A
可見總的減小為17:0.8 = 21:1
在相同的測試條件下，當(dāng)柵電壓是在0V或單正向柵驅(qū)動情況下，IRGP30B120KD的電路性能顯示dV/dt感生開通電流減小比例為21:1。如果IGBT采用這種方式驅(qū)動，電流很小，對功耗的影響幾乎可以忽略。
圖12 柵驅(qū)動波形
采用單正向柵驅(qū)動IGBT有下列好處：
不需要負偏置
驅(qū)動器電路成本更低
更高的柵抗噪聲功能
更高的dV/dt耐容
與不能提供負偏置驅(qū)動的IR單片式柵驅(qū)動器兼容
圖13 具有電平轉(zhuǎn)換的柵驅(qū)動IC電路
上述設(shè)計對PT和NPT IGBT同樣有效。
結(jié)論：
單正向柵驅(qū)動IGBT是器件發(fā)展的巨大進步。IRGP30B120KD-E的C值很低，在單正向柵驅(qū)動條件下，其開關(guān)性能非常理想。器件不需要負偏置柵驅(qū)動便能可靠關(guān)斷，即使在集電極的dV/dt為3V/ns。與單片式柵驅(qū)動器的兼容性更為橋式變換器和交流電機驅(qū)動提供更優(yōu)越和成本更低的解決方案。所以我們期望這些先進的IGBT能為新的IC設(shè)計提供更大的優(yōu)勢。