【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。其中MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、易于驅(qū)動(dòng)、損耗低等優(yōu)勢。IGBT全稱是絕緣柵極型功率管，是由雙極型三極管（BJT）和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式半導(dǎo)體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。隨著新能源汽車、智能家電、5G、軌道交通等行業(yè)的興起，MOSFET和IGBT也迎來了發(fā)展的春天。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們都會(huì)遇到一個(gè)相同的困惑：器件的選型著實(shí)令人頭疼。對(duì)此，小編感同身受。今天，我們就一起來看看MOSFET和IGBT之間的有哪些異同點(diǎn)，在選型時(shí)應(yīng)著重查看哪些參數(shù)。
MOSFET和IGBT的異同點(diǎn)
MOSFET和IGBT均為集成在單片硅上的固態(tài)半導(dǎo)體器件，且都屬于電壓控制器件。另外，IGBT和MOSFET在柵極和其他端子之間都有絕緣，兩種器件全部具有較高的輸入阻抗。在應(yīng)用中，IGBT和MOSFET都可以用作靜態(tài)電子開關(guān)。
雖然有很多共同點(diǎn)，但在性能參數(shù)和應(yīng)用上，IGBT與MOSFET還是有許多不同之處。
在結(jié)構(gòu)上，MOSFET和IGBT看起來非常相似，實(shí)則不同。IGBT由發(fā)射極、集電極和柵極端子組成，而MOSFET由源極、漏極和柵極端子組成。IGBT的結(jié)構(gòu)中有PN結(jié)，MOSFET沒有任何PN結(jié)。
在特性參數(shù)上，MOSFET和IGBT的主要區(qū)別體現(xiàn)在以下9個(gè)方面：
● 在低電流區(qū)，MOSFET的導(dǎo)通電壓低于IGBT，這也是它的優(yōu)勢。不過，在大電流區(qū)IGBT的正向電壓特性優(yōu)于MOSFET。此外，由于MOSFET的正向特性對(duì)溫度具有很強(qiáng)的正向依賴性，因此，IGBT的高溫特性更好，導(dǎo)通電壓比MOSFET低。
● IGBT適用于中到極高電流的傳導(dǎo)和控制，而MOSFET適用于低到中等電流的傳導(dǎo)和控制。
● IGBT不適合高頻應(yīng)用，它能在千Hz頻率下運(yùn)行良好。MOSFET特別適合非常高頻的應(yīng)用，它可以在兆Hz頻率下運(yùn)行良好。
● IGBT的開關(guān)速度比較低，MOSFET開關(guān)速度非常高。
● IGBT可以承受非常高的電壓以及大功率，MOSFET僅適用于低至中壓應(yīng)用。
● IGBT具有較大的關(guān)斷時(shí)間，MOSFET的關(guān)斷時(shí)間較小。
● IGBT可以處理任何瞬態(tài)電壓和電流，但當(dāng)發(fā)生瞬態(tài)電壓時(shí)，MOSFET的運(yùn)行會(huì)受到干擾。
● MOSFET器件成本低，價(jià)格便宜，而IGBT至今仍屬于較高成本器件。
● IGBT適合高功率交流應(yīng)用，MOSFET適合低功率直流應(yīng)用。
因?yàn)樯鲜鲞@些差別，在應(yīng)用上MOSFET和IGBT各有側(cè)重點(diǎn)。通常，MOSFET的額定電壓約為600V，而IGBT的額定電壓能夠達(dá)到1400V。從額定電壓角度看，IGBT主要用于更高電壓的應(yīng)用。從工作頻率角度看，IGBT通常在低于20kHz的開關(guān)頻率下使用，此時(shí)它們比單極性MOSFET具有更高的開關(guān)損耗。
綜合來看，對(duì)于低頻（小于20kHz）、高壓（大于1000V）、小或窄負(fù)載或線路變化、高工作溫度，以及超過5kw的額定輸出功率應(yīng)用，IGBT是首選。而MOSFET更適合低電壓（小于250V）、大占空比和高頻（大于200KHz）的應(yīng)用。
圖1：不同類型晶體管的性能比較（圖源：TOSHIBA）
MOSFET關(guān)鍵的電氣參數(shù)
MOSFET的優(yōu)點(diǎn)決定了它非常適合高頻且開關(guān)速度要求高的應(yīng)用。在開關(guān)電源（SMPS）中，MOSFET的寄生參數(shù)至關(guān)重要，它決定了轉(zhuǎn)換時(shí)間、導(dǎo)通電阻、振鈴（開關(guān)時(shí)超調(diào)）和背柵擊穿等性能，這些都與SMPS的效率密切相關(guān)。
作為電源開關(guān)，選擇的MOSFET應(yīng)該具有極低的導(dǎo)通電阻、低輸入電容（即Miller電容）以及極高的柵極擊穿電壓，這個(gè)數(shù)值甚至高到足以處理電感產(chǎn)生的任何峰值電壓。另外，漏極和源極之間的寄生電感也是越低越好，因?yàn)榈图纳姼锌蓪㈤_關(guān)過程中的電壓峰值降至最低。
對(duì)于門驅(qū)動(dòng)器或者逆變器應(yīng)用，通常需要選擇低輸入電容（利于快速切換）以及較高驅(qū)動(dòng)能力的MOSFET。
IGBT關(guān)鍵的電氣參數(shù)
IGBT的主要優(yōu)勢是能夠處理和傳導(dǎo)中至超高電壓和大電流，擁有非常高的柵極絕緣特性，且在電流傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生非常低的正向壓降，哪怕浪涌電壓出現(xiàn)時(shí)，IGBT的運(yùn)行也不會(huì)受到干擾。不足之處在于IGBT不適合高頻應(yīng)用。與MOSFET相比，開關(guān)速度較慢，關(guān)斷時(shí)間較長。
在實(shí)際應(yīng)用中，逆變技術(shù)對(duì)IGBT的參數(shù)要求并不是一成不變的，對(duì)IGBT的要求各不相同。
綜合來看，下面這些參數(shù)在IGBT的選擇中是至關(guān)重要的。
● 一是額定電壓，在開關(guān)工作的條件下，IGBT的額定電壓通常要高于直流母線電壓的兩倍。
● 二是額定電流，由于負(fù)載電氣啟動(dòng)或加速時(shí)，電流過載，要求在1分鐘的時(shí)間內(nèi)IGBT能夠承受1.5倍的過流。
● 三是開關(guān)速度。
● 四是柵極電壓，IGBT的工作狀態(tài)與正向柵極電壓有很大關(guān)系，電壓越高，開關(guān)損耗越小，正向壓降也更小。
新能源汽車中的IGBT和MOSFET
汽車電動(dòng)化乃大勢所趨?，F(xiàn)在，各國政府紛紛制定了各自的碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，從傳統(tǒng)的ICE車輛轉(zhuǎn)向純電動(dòng)車輛具有非常重要的意義。更嚴(yán)格的全球CO2排放要求不斷加速汽車電動(dòng)化的進(jìn)程，預(yù)計(jì)從2021年到2026年電動(dòng)車/混合動(dòng)力車（EV/HEV）的復(fù)合年增長率（CAGR(VOL)）將達(dá)到20.1%，被稱為零排放汽車（ZEV）的電池電動(dòng)汽車（BEV），其CAGR（VOL）將高達(dá)29.7%。
圖2：EV/HEV在未來5年的增長（圖源：onsemi)
新能源車中的電機(jī)控制系統(tǒng)、引擎控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)均需使用大量的半導(dǎo)體功率器件，它的普及為汽車功率半導(dǎo)體市場打開了增長的窗口。在各類半導(dǎo)體功率器件中，未來增長最強(qiáng)勁的產(chǎn)品將是MOSFET與IGBT模塊。
據(jù)研究機(jī)構(gòu)IC Insights的分析結(jié)果，2016年，全球MOSFET市場規(guī)模達(dá)到了62億美元，預(yù)計(jì)2016年至2022年間MOSFET市場的年復(fù)合增長率將達(dá)到3.4%。預(yù)計(jì)到2022年，全球MOSFET市場規(guī)模將接近75億美元。
IGBT是新能源汽車高壓系統(tǒng)的核心器件，其最核心應(yīng)用為主驅(qū)逆變，此外還包括車載充電器（OBC）、電池管理系統(tǒng)、車載空調(diào)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向等高壓輔助系統(tǒng)。在直流和交流充電樁中，IGBT也有著廣泛應(yīng)用。在新能源汽車中，MOSFET主要在汽車低壓電器中使用，比如電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)、電池電路保護(hù)、雨刷器的直流電機(jī)、LED照明系統(tǒng)等。
IGBT和MOSFET“芯”品推薦
AFGHL25T120RHD是安森美（onsemi）汽車級(jí)低成本的1200V 25A IGBT，該模塊符合AEC Q101規(guī)范，具有堅(jiān)固且經(jīng)濟(jì)高效的場阻II溝槽結(jié)構(gòu)。在要求苛刻的開關(guān)應(yīng)用中可提供優(yōu)異的性能，同時(shí)提供低導(dǎo)通電壓和最小的開關(guān)損耗，可用于EV/HEV的PTC加熱器、電動(dòng)壓縮機(jī)、車載充電器等系統(tǒng)中。
安森美的另一款MOSFET模塊FAM65CR51ADZ1，是一款650V的電源集成模塊（PIM），它帶有升壓轉(zhuǎn)換器器，主要用于EV/HEV中的車載充電器（OBC）中，它能讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加小巧、高效和可靠。
Infineon Technologies（英飛凌）有著極其豐富的IGBT功率模塊產(chǎn)品組合，這些產(chǎn)品系列擁有不同的電路結(jié)構(gòu)、芯片配置和電流電壓等級(jí)，覆蓋了市場上的大多數(shù)應(yīng)用。它們有斬波器、DUAL、PIM、四單元、六單元、十二單元、三電平、升壓器或單開關(guān)配置，電流等級(jí)從6A到3600A不等。IGBT模塊的適用功率小至幾百瓦，高至數(shù)兆瓦。
比如，英飛凌的HybridPACK系列就提供基于6種不同封裝的多個(gè)版本，專門針對(duì)100kW到200kW之間的不同逆變器性能水平進(jìn)行了優(yōu)化，拓展了面向EV/HEV的IGBT模塊功率區(qū)間。該系列中的HybridPACK Drive是一款非常緊湊的功率模塊，專為EV/HEV車輛牽引應(yīng)用而優(yōu)化，功率范圍為100kW至175kW，可在電動(dòng)汽車的實(shí)際驅(qū)動(dòng)循環(huán)中實(shí)現(xiàn)最高效率，即使在惡劣環(huán)境條件下也能可靠運(yùn)行逆變器。
圖3：用于電動(dòng)汽車主逆變器的功率模塊HybridPACK Drive IGBT模塊（圖源：Infineon）
其中，HybridPACK Drive Flat模塊（FS660R08A6P2Fx）和Wave模塊（FS770R08A6P2x）是HybridPACK Drive產(chǎn)品家族中的低性能產(chǎn)品，經(jīng)濟(jì)劃算，分別適用于100kW至150kW逆變器。作為產(chǎn)品組合中的高端產(chǎn)品，HybridPACK Drive Performance模塊（FS950R08A6P2B）的目標(biāo)應(yīng)用是200kW逆變器。因使用了專門的陶瓷材料，而非常用的氧化鋁，其散熱性能提升了20%以上，可以達(dá)到更高的電流承受能力。
英飛凌旗下的600V、650V及800V N溝道功率MOSFET主要針對(duì)高性能的汽車應(yīng)用，CoolMOS N溝道MOSFET是該公司具有代表性的產(chǎn)品系列，適合低功率至高功率應(yīng)用，在易用性、高性能與價(jià)格之間取得了巧妙平衡。
結(jié)語
功率半導(dǎo)體器件又稱為電力電子器件，是電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換、電路控制的核心器件。上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的硅基MOSFET工作頻率達(dá)到了兆Hz級(jí)。隨著硅基IGBT的出現(xiàn)，功率器件在大功率化和高頻化之間找到了解決方案。
在不間斷電源（UPS）、工業(yè)逆變器、功率控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、脈寬調(diào)制（PWM）、開關(guān)電源（SMPS）等開關(guān)應(yīng)用中，MOSFET和IGBT因其具有的優(yōu)越特性，在性能上明顯優(yōu)于其他開關(guān)器件。其中，MOSFET主要用于較低的電壓和功率系統(tǒng)，而IGBT更適合較高的電壓和功率應(yīng)用。
在新能源汽車、智能家電、5G等需求的拉動(dòng)下，IGBT和MOSFET的市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，進(jìn)入該領(lǐng)域的企業(yè)越來越多。如何在品類繁雜的市場中找到最符合自己需求的產(chǎn)品是一件令人頭疼的事。其實(shí)，無論多么復(fù)雜，你只需關(guān)注上面我們介紹的那些主要參數(shù)，相信就一定會(huì)找到滿意的產(chǎn)品。
來源：貿(mào)澤電子
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