IGBT技术：MOS管基础及选型指南

MOS管基础及选型指南

MOS管，即金属（Metal）—氧化物（Oxide）—半导体（Semiconductor）场效应晶体管，是一种应用场效应原理工作的半导体器件。

和普通双极型晶体管相比，MOS管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、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、通信电源等高频电源领域得到了越来越普遍的应用。

场效应管分类      

场效应管分为结型（JFET）和金属-氧化物-半导体型（MOSFET）两种类型。 JFET的英文全称是Junction Field-Effect Transistor，也分为N沟道和P沟道两种，在实际中几乎不用。 MOSFET英文全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，应用广泛，MOSFET一般称MOS管。

MOS管是FET的一种（另一种为JFET结型场效应管），主要有两种结构形式：N沟道型和P沟道型。

根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，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流）两种。

因此，MOS管可以被制构成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种类型产品。   一般主板上使用最多的是增强型MOS管，NMOS最多，一般多用在信号控制上，其次是PMOS，多用在电源开关等方面，耗尽型几乎不用。

N和P区分      

每一个MOS管都提供有三个电极：Gate栅极（表示为“G”）、Source源极（表示为“S”）、Drain漏极（表示为“D”）。接线时，对于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、耗尽型的接法基本一样。

红色箭头指向G极的为NMOS，箭头背向G极的为PMOS

寄生二极管      

由于生产工艺，一般的MOS管会有一个寄生二极管，有的也叫体二极管。

红色标注的为体二极管

从上图可以看出NMOS和PMOS寄生二极管方向不一样，NMOS是由S极→D极，PMOS是由D极→S极。

寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接截止，对于NMOS，当S极接正，D极接负，寄生二极管会导通，反之截止；对于PMOS管，当D极接正，S极接负，寄生二极管导通，反之截止。

某些应用场合，也会选择走体二极管，以降低DS之间的压降（体二极管的压降是比MOS的导通压降大很多的），同时也要关注体二极管的过电流能力。

当满足MOS管的导通条件时，MOS管的D极和S极会导通，这个时候体二极管是截止状态，因为MOS管的导通内阻极小，一般mΩ级别，流过1A级别的电流，也才mV级别，所以D极和S极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。

MOS管工作原理（以N沟道增强型为例）      

N沟道增强型MOS管在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极（漏极D、源极S）；在源极和漏极之间的SiO2绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G；P型半导体称为衬底，用符号B表示。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以NMOS又被称为绝缘栅型场效应管。

当栅极G和源极S之间不加任何电压，即VGS=0时，由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012Ω，即D、S之间不具备导电的沟道，所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

N沟道增强型MOS管结构示意图

当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即VGS＞0时，如上图所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。

如果进一步提高VGS电压，使VGS达到某一电压VT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，如下图所示。

反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压，用VGS（th）表示。显然，只有VGS＞VGS（th）时才有沟道，而且VGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强；“增强型”一词也由此得来。

耗尽层与反型层产生的结构示意图

在VGS＞VGS（th）的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压VDS，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压VGD最小，其值为VGD=VGS－VDS，相应的沟道最薄；靠近源区一端的电压最大，等于VGS，相应的沟道最厚。

这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着VDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当VDS增大到某一临界值，使VGD≤VGS（th）时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如下图（a）所示。继续增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夹断点向源极方向移动，如下图（b）所示。

尽管夹断点在移动，但沟道区（源极S到夹断点）的电压降保持不变，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分电压[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。

预夹断及夹断区形成示意图

导通条件         MOS管是压控型，导通由G和S极之间压差决定。

对NMOS来说，Vg-Vs>Vgs(th)，即G极和S极的压差大于一定值，MOS管会导通，但是也不能大太多，否则烧坏MOS管，开启电压和其他参数可以看具体器件的SPEC。  

对PMOS来说，Vs-Vg>Vgs(th)，即S极和G极的压差大于一定值，MOS管会导通，同样的，具体参数看器件的SPEC。

与三极管的区别      

三极管是电流控制，MOS管是电压控制，主要有如下的区别：

1、只容许从信号源取少量电流的情况下，选用MOS管；在信号电压较低，有容许从信号源取较多电流的条件下，选用三极管。

2、MOS管是单极性器件（靠一种多数载流子导电），三极管是双极性器件（既有多数载流子，也要少数载流子导电）。

3、有些MOS管的源极和漏极可以互换运用，栅极也可正可负，灵活性比三极管好。

4、MOS管应用普遍，可以在很小电流和很低电压下工作。

5、MOS管输入阻抗大，低噪声，MOS管较贵，三极管的损耗大。

6、MOS管常用来作为电源开关，以及大电流开关电路、高频高速电路中，三极管常用来数字电路开关控制。

G和S极串联电阻的作用      

MOS管的输入阻抗很大，容易受到外界信号的干扰，只要少量的静电，就能使G-S极间等效电容两端产生很高的电压，如果不及时把静电释放掉，两端的高压容易使MOS管产生误动作，甚至有可能击穿G-S极，起到一个固定电平的作用。

G极串联电阻的作用      

MOS管是压控型，有的情况下，为什么还需要在G极串联一个电阻呢？ 1、减缓Rds从无穷大到Rds(on)。 2、防止震荡，一般单片机的I/O输出口都会带点杂散电感，在电压突变的情况下，可能与栅极电容形成LC震荡，串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。 3、减小栅极充电峰值电流。

选型要点      

1、电压值 关注Vds最大导通电压和Vgs最大耐压，实际使用中，不能超过这个值，否则MOS管会损坏。

关注导通电压Vgs(th)，一般MOS管都是用单片机进行控制，根据单片机GPIO的电平来选择合适导通阈值的MOS管，并且尽量留有一定的余量，以确保MOS可以正常开关。

2、电流值 关注ID电流，这个值代表了NMOS管的能流过多大电流，反应带负载的能力，超过这个值，MOS管也会损坏。

3、功率损耗 功率损耗需要关注以下几个参数，包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位是℃/W或者是K/W，热阻的公式为ThetaJA = (Tj-Ta)/P，和功率和环境温度都有关系。

4、导通内阻

导通内阻关注NMOS的Rds(on)参数，导通内阻越小，NMOS管的损耗越小，一般NMOS管的导通内阻都是在mΩ级别。

5、开关时间

MOS作为开关器件，就会有开关时间概念，在高速电路中，尽可能选择输入、输出电容Ciss&Coss小、开关时间Ton&Toff短的MOS管，以保证数据通信正常。

6、封装

根据PCB板的尺寸，选择合适的NMOS管尺寸，在板载面积有限的情况下，尽可能选择小封装；尽量选择常见封装，以备后续选择合适的替代料

IGBT技术基础和产业知识

IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由 BJT(双极结型晶体三极管) 和 MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件，其具有自关断的特征。简单讲，是一个非通即断的开关。   IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。     IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。     IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU” 。采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。   IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。   在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。 1）当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。   2）当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。   3）当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：   ①若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。 ②若栅-射极电压UGE＞Uth ，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降低。 IGBT各世代的技术差异

回顾功率器件过去几十年的发展，1950-60年代双极型器件SCR,GTR,GTO，该时段的产品通态电阻很小；电流控制，控制电路复杂且功耗大；1970年代单极型器件VD-MOSFET。但随着终端应用的需求，需要一种新功率器件能同时满足：驱动电路简单,以降低成本与开关功耗、通态压降较低，以减小器件自身的功耗。1980年代初,试图把MOS与BJT技术集成起来的研究，导致了IGBT的发明。

1985年前后美国GE成功试制工业样品（可惜后来放弃）。自此以后， IGBT主要经历了6代技术及工艺改进。   从结构上讲，IGBT主要有三个发展方向：

1）IGBT纵向结构：非透明集电区NPT型、带缓冲层的PT型、透明集电区NPT型和FS电场截止型；2）IGBT栅极结构：平面栅机构、Trench沟槽型结构；3）硅片加工工艺：外延生长技术、区熔硅单晶；   其发展趋势是：①降低损耗 ②降低生产成本

总功耗＝ 通态损耗 (与饱和电压 VCEsat有关)+开关损耗 (Eoff Eon)。同一代技术中通态损耗与开关损耗两者相互矛盾,互为消长。   IGBT模块按封装工艺来看主要可分为焊接式与压接式两类。高压IGBT模块一般以标准焊接式封装为主，中低压IGBT模块则出现了很多新技术，如烧结取代焊接，压力接触取代引线键合的压接式封装工艺。

随着IGBT芯片技术的不断发展，芯片的最高工作结温与功率密度不断提高， IGBT模块技术也要与之相适应。未来IGBT模块技术将围绕芯片背面焊接固定与正面电极互连 两方面改进。模块技术发展趋势：  

无焊接、 无引线键合及无衬板/基板封装技术；

内部集成温度传感器、电流传感器及驱动电路等功能元件，不断提高IGBT模块的功率密度、集成度及智能度。

  IGBT的主要应用领域

作为新型功率半导体器件的主流器件，IGBT已广泛应用于工业、 4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、国防军工等传统产业领域，以及轨道交通、新能源、智能电网、新能源汽车等战略性新兴产业领域。 1）新能源汽车   IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用，是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。IGBT模块占电动汽车成本将近10%，占充电桩成本约20%。IGBT主要应用于电动汽车领域中以下几个方面：

A）电动控制系统 大功率直流/交流(DC/AC)逆变后驱动汽车电机；B）车载空调控制系统 小功率直流/交流(DC/AC)逆变，使用电流较小的IGBT和FRD；C）充电桩 智能充电桩中IGBT模块被作为开关元件使用； 2）智能电网 IGBT广泛应用于智能电网的发电端、输电端、变电端及用电端：

从发电端来看，风力发电、光伏发电中的整流器和逆变器都需要使用IGBT模块。

从输电端来看，特高压直流输电中FACTS柔性输电技术需要大量使用IGBT等功率器件。

从变电端来看，IGBT是电力电子变压器（PET）的关键器件。

从用电端来看，家用白电、 微波炉、 LED照明驱动等都对IGBT有大量的需求。

3）轨道交通

IGBT器件已成为轨道交通车辆牵引变流器和各种辅助变流器的主流电力电子器件。交流传动技术是现代轨道交通的核心技术之一，在交流传动系统中牵引变流器是关键部件，而IGBT又是牵引变流器最核心的器件之一。
IGBT国内外市场规模

2015年国际IGBT市场规模约为48亿美元，预计到2020年市场规模可以达到80亿美元，年复合增长率约10%。2014年国内IGBT销售额是88.7亿元，约占全球市场的1∕3。预计2020年中国IGBT市场规模将超200亿元，年复合增长率约为15%。

从公司来看，国外研发IGBT器件的公司主要有英飞凌、 ABB、三菱、西门康、东芝、富士等。中国功率半导体市场占世界市场的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上，90％主要依赖进口，基本被国外欧美、日本企业垄断。 国外企业如英飞凌、 ABB、三菱等厂商研发的IGBT器件产品规格涵盖电压600V-6500V，电流2A-3600A，已形成完善的IGBT产品系列。   英飞凌、 三菱、 ABB在1700V以上电压等级的工业IGBT领域占绝对优势；在3300V以上电压等级的高压IGBT技术领域几乎处于垄断地位。在大功率沟槽技术方面，英飞凌与三菱公司处于国际领先水平。   西门康、仙童等在1700V及以下电压等级的消费IGBT领域处于优势地位。 尽管我国拥有最大的功率半导体市场，但是目前国内功率半导体产品的研发与国际大公司相比还存在很大差距，特别是IGBT等高端器件差距更加明显。核心技术均掌握在发达国家企业手中，IGBT技术集成度高的特点又导致了较高的市场集中度。跟国内厂商相比，英飞凌、 三菱和富士电机等国际厂商占有绝对的市场优势。形成这种局面的原因主要是：  

国际厂商起步早，研发投入大，形成了较高的专利壁垒。

国外高端制造业水平比国内要高很多，一定程度上支撑了国际厂商的技术优势。

  中国功率半导体产业的发展必须改变目前技术处于劣势的局面，特别是要在产业链上游层面取得突破，改变目前功率器件领域封装强于芯片的现状。

总的来说，在技术差距方面有：高铁、智能电网、新能源与高压变频器等领域所采用的IGBT模块规格在6500V以上，技术壁垒较强；IGBT芯片设计制造、模块封装、失效分析、测试等IGBT产业核心技术仍掌握在发达国家企业手中。   近几年中国IGBT产业在国家政策推动及市场牵引下得到迅速发展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整产业链，IGBT国产化的进程加快，有望摆脱进口依赖。   受益于新能源汽车、轨道交通、智能电网等各种利好措施，IGBT市场将引来爆发点。希望国产IGBT企业能从中崛起。  

编辑：黄飞