MOS管品种:MOS管是FET的一种(另一种为JFET结型场效应管),首要有两种结构方法:N沟道型和P沟道型;又依据场效应原理的不同,分为耗尽型(当栅压为零时有较大漏极电流)和增强型(当栅压为零,漏极电流也为零,有必要再加必定的栅压之后才有漏极电流)两种。
因而,MOS管能够被制构成P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、N沟道耗尽型4品种型产品。MOS管具有输入阻抗高、噪声低、动态规模大、功耗小、易于集成等优势,在开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通讯电源等高频电源范畴得到了越来越遍及的运用。
每一个MOS管都提供有三个电极:Gate栅极(表明为“G”)、Source源极(表明为“S”)、Drain漏极(表明为“D”)。接线时,关于N沟道的电源输入为D,输出为S;P沟道的电源输入为S,输出为D;且增强型、耗尽型的接法根本相同。
从结构图可发现,N沟道型场效应管的源极和漏极接在N型半导体上,而P沟道型场效应管的源极和漏极则接在P型半导体上。场效应管输出电流由输入的电压(或称场电压)操控,其输入的电流极小或没有电流输入,使得该器材有很高的输入阻抗,这也是MOS管被称为场效应管的重要原因。
在MOS管的作业原理中能够看出,MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于SiO2绝缘层的存在,在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在,电压VGS发生电场然后导致源极-漏极电流的发生。此刻的栅极电压VGS决议了漏极电流的巨细,操控栅极电压VGS的巨细就能够操控漏极电流ID的巨细。
导通的含义是作为开关,相当于开关闭合。NMOS的特性,VGS大于必定的值就会导通,适用于源极接地时的状况(低端驱动),只需栅极电压到达4V或10V就能够了。PMOS的特性是,VGS小于必定的值就会导通,适用于源极接VCC时的状况(高端驱动)。
不管是NMOS仍是PMOS,导通后都有导通电阻存在,电流就会被电阻耗费能量,这部分耗费的能量叫做导通损耗。小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧至几十毫欧左右,挑选导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
MOS管在进行导通和截止时,两头的电压有一个下降进程,流过的电流有一个上升的进程,在这段时刻内,MOS管的丢失是电压和电流的乘积,这称之为开关丢失。一般开关丢失比导通丢失大得多,并且开关频率越快,丢失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积越大,构成的丢失也就越大。缩短开关时刻,能够减小每次导通时的丢失;下降开关频率,能够减小单位时刻内的开关次数。这两种方法都能够减小开关丢失。
跟双极性晶体管比较,MOS管需求GS电压高于必定的值才干导通,并且还要求较快的导通速度。在MOS管的结构中能够看到,在GS、GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,理论上便是对电容的充放电。
对电容的充电需求一个电流,由于对电容充电瞬间能够把电容当作短路,所以瞬间电流会比较大。挑选/规划MOS管驱动时第一个要留心的是可提供瞬间短路电流的巨细;第二个要留心的是,遍及用于高端驱动的NMOS,导通时需求栅极电压大于源极电压。
而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极导通电压要比VCC高4V或10V,并且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。
三极管全称为半导体三极管,它的首要作用便是将细小的信号间断扩大。MOS管与三极管有着许多附近的当地,也有许多不同之处。
首先是开关速度的不同。三极管作业时,两个PN结都会感应出电荷,当开关管处于导通状况时,三极管处于饱满状况,假定这时三极管到,PN结感应的电荷要康复到平衡状况,这个进程需求时刻。而MOS由于作业方法不同,不需求康复时刻,因而能够用作高速开关管。
其次是操控方法不同。MOS管是电压操控元件,而三级管是电流操控元件。在只答应从信号源取较少电流的状况下,应选用MOS管;而在信号电压较低,又答应从信号源取较多电流的条件下,应选用三极管。
接着是载流子品种数量不同。电力电子技术中提及的单极器材是指只靠一种载流子导电的器材,双极器材是指靠两种载流子导电的器材。MOS管只运用了一种大都载流子导电,所以也称为单极型器材;而三极管是既有大都载流子,也运用少量载流子导电;是为双极型器材。
第三是灵活性不同。有些MOS管的源极和漏极能够交换运用,栅压也可正可负,灵活性比三极管好。
第四是集成才能不同。MOS管能在很小电流和很低电压的条件下作业,并且它的制造工艺能够很方便地把许多MOS管集成在一块硅片上,因而MOS管在大规模集成电路中得到了遍及的运用。
第五是输入阻抗和噪声才能不同。MOS管具有较高输入阻抗和低噪声等长处,被遍及运用于各种电子设备中,特别用MOS管做整个电子设备的输入级,能够获得一般三极管很难到达的功能。
最终是功耗损耗不同。平等状况下,选用MOS管时,功耗损耗低;而选用三极管时,功耗损耗要高出许多。
当然,在运用本钱上,MOS管要高于三极管,因而依据两种元件的特性,MOS管常用于高频高速电路、大电流场所,以及对基极或漏极操控电流比较灵敏的中心区域;而三极管则用于低本钱场所,达不到作用时才会考虑替换选用MOS管。
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS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材,兼有MOSFET的高输入阻抗和功率晶体管(GTR)的低导通压降两方面的长处。
GTR饱满压下降,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT归纳了以上两种器材的长处,驱动功率小而饱满压下降。
常见的IGBT又分为单管和模块两种,单管的外观和MOS管有点相像,常见生产厂家有富士电机、仙童半导体等,模块产品一般为内部封装了数个单个IGBT,由内部联接成合适的电路。
由于IGBT原理为先注册MOS管,再驱动三极管注册,该原理决议了IGBT的开关速度比MOS管慢,但比三极管快。制造本钱上,IGBT要比MOS管高许多,这是由于IGBT的制造多了薄片反面离子注入、薄片低温退火(如激光退火)工序,而这两个工序都需求专门针对薄片工艺的贵重机台。
在低压下,低压MOS管的导通压降一般都操控在0.5V以下(根本不会超越1V的),比方IR4110低压MOS管,其内阻为4mΩ,给它100A的导通电流,导通压降是0.4V左右。
电流导通压下降,意味着导通损耗小,一起兼具开关损耗小的特性,因而,IGBT相对MOS管在电功能没有优势,加上在性价比上MOS管更具优势,所以根本上看不到低压IGBT。
MOS管的最大下风是跟着耐压升高,内阻敏捷增大,所以高压下内阻很大,致使MOS管不能做大功率运用。
在高压范畴,MOS管的开关速度仍是最快的,但高压下MOS管的导通压降很大(内阻随耐压升高而敏捷升高),即便是耐压600V的COOLMOS管,导通电阻可高达几欧姆,致使耐流很小。
而IGBT在高耐压下,导通压降简直没显着增大(IGBT的导通电流经过三极管处理),所以高压下IGBT优势显着,既有高开关速度,又有三极管的大电流特性;别的,在新一代IGBT产品中,开关速度高(纳秒级),导通压降、开关损耗等也有了长足进步,使得IGBT耐脉冲电流冲击力更强,且耐压高、驱动功率小等长处愈加杰出。
在需求耐压超越150V的运用条件下,MOS管现已根本没有优势。以典型的IRFS4115与第四代IGBT型SKW30N60比照中,在150V、20A接连工况下运转,前者开关损耗为6mJ/pulse,而后者只要1.15mJ/pulse,缺乏前者的1/5;若用极限作业条件,二者功率负荷相差将更悬殊。
现在,比如冶金、钢铁、高速铁路、船只等有大功率需求的范畴已较少见到MOS管,而是广泛运用IGBT元器材。
总的来说,IGBT更适用于高压、大电流、低频率(20KHZ左右)场所,电压越高,IGBT越有优势,在600v以上,IGBT的优势十分显着;而MOSFET更适用于低电压、小电流、低频率(几十KHz~几MHz)范畴,电压越低,MOS管越有优势。