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IGBT与MOSFET以及BJT的性能对比及擎住效应

作者:Jackie Zhao    文章来源:http://www.igbt8.com/   
IGBT相对于MOSFETBJT的优点:
  1. 因为IGBT具有电导调制能力,相对于功率MOSFET和双极晶体管具有较强的正向电流传导密度和低通态压降。因此可实现更小的芯片尺寸,并降低成本。
  2. 由于输入是MOS栅结构,需要的驱动功率低,驱动电路简单。相对于电流控制元件(Thyristor, BJT),控制更简单,适合于高电压大电流的应用。
  3. 较宽安全工作区:在输出特性方面,相对于双极晶体管,IGBT具有优异的电流传导能力。还具有优良的正向和反向电压阻断能力。
IGBT相对于MOSFETBJT的缺点:
  1. 相对于MOSFET开关速度慢(小于100KHz),但优于BJT。由于少数载流子的原因,集电极会形成拖尾电流,导致较慢的关断速度。
  2. IGBT内部形成了PNPN晶闸管的结构,可能会导致擎住效应。
特性 BJT MOSFET IGBT
驱动方法 电流 电压 电压
驱动电路 复杂 简单 简单
输入阻抗
驱动功率
开关速度 慢(us) 快(ns)
开关频率 快(小于1MHz)
安全工作区
饱和电压
  • MOSFET开关速度极快,耐冲击性好,故障率低。电导率负温度系数,扩展性好。大功率应用时,成本不敏感,低压大电流是MOSFET的强项。
  • IGBT耐压比MOSFET容易做高,不易被二次击穿而失效,易于高压应用领域。
  • 高压BJT需要使用低压大电流的电流源驱动,一般使用变压器驱动。如果驱动不当或电压应力过大时容易发生二次击穿失效。适合中功率(50-1000W),对成本敏感的市场。
  • IGBT稳定性比MOSFET稍差,但仍强于BJT,除了MOSFT的失效模式外,还有二次击穿的失效模式。
MOSFETIGBTBJT三种开关器件的开关损耗:
开关器件的损耗:电流—电压交叉损耗和输出电容损耗。
  • MOSFET多子导电,开关极快,没有拖尾电流,损耗主要是开通时的输出电容放电损耗。Ploss=f*Coss*V^2,V是MOSFET开通前一瞬间承受的电压。
  • IGBT开关速度较快,无存储时间,但存在拖尾电流,就是VCE已经身高的情况下,CE之间仍然有一股小电流流通一段时间,导致了电流-电压一段时间的交叉,构成了IGBT关断损耗。
  • BJT开关速度慢,为少子器件,有存储时间。即使基极电流已经切断甚至反向,集电极与发射极仍然保持导通一段时间。然后才进入下降时间。这段时间产生了电压、电流交叉。低压BJT由于β值高,存储时间小,主要损耗为导通损耗,开关损耗不太大。
 
IGBT擎住效应:
         IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管,其等效电路如下图所示。在V2的基极与发射极之间并有一个扩展电阻Rbr,在此电阻上P型体区的横向空穴会产生一定压降,对J3结来说,相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内,这个正偏置电压不大,V2不起作用,当Id大到一定程度时,该正偏置电压足以使V2开通,进而使V2和V3处于饱和状态,于是寄生晶体管开通,栅极失去控制作用,此时,漏电流增大,造成功耗急剧增加,器件损坏。晶闸管导通现象被称为IGBT擎住效应, 使用中应避免出现集电极电流过大的情况。漏极电流有一个临界值Idm。当Id>Idm时便会产生擎住效应。在IGBT关断的动态过程中,假若dvce/dt过高,那么在J2结中引起的位移电流会越大,当该电流流过体区扩展电阻Rbr时,也可产生足以使晶体管V2开通的正向偏置电压,满足寄生晶体管开通擎住的条件,形成动态擎住效应。使用中必须防止IGBT发生擎住效应,为此可限制Idm值,或者用加大栅极电阻Rg的办法延长IGBT关断时间,以减少dv/dt的值。
具有寄生晶体管的IGBT等效电路
具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态擎住有如下主要区别:当晶闸管全部导通时,静态擎住出现。 只在关断时才会出现动态擎住。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:一是防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外,擎住电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极最大电流值与擎住电流之间保持一定的比例,通常为1:5。
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作者:Jackie Zhao
 
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