EV和充電樁將成為IGBT和MOSFET最大單一產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌?chǎng)！EV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(chǎng)打開(kāi)了增長(zhǎng)的窗口。充電樁中決定充電效率和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵元件是IGBT和MOSFET。在各類半導(dǎo)體功率器件中，未來(lái)增長(zhǎng)最強(qiáng)勁的產(chǎn)品將是MOSFET與IGBT模塊。     

 

 

圖：中國(guó)IGBT市場(chǎng)供需數(shù)據(jù)，我愛(ài)方案網(wǎng)匯總    

 

為了幫助工程師選型，特別是中控人機(jī)界面方案商的工程師（熟悉通信互聯(lián)，并不熟悉執(zhí)行部分和元器件構(gòu)成），本文提供IGBT和MOSFET基礎(chǔ)知識(shí)和工程選型要領(lǐng)。一般認(rèn)為IGBT個(gè)大功率大，MOSFET適合開(kāi)關(guān)和小電流驅(qū)動(dòng)，其實(shí)IGBT與MOSFET有9大異同點(diǎn)，我們一起來(lái)看看。   

 

01  

IGBT與MOSFET的分類與異同點(diǎn)  

 

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)。MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開(kāi)關(guān)器件，具有開(kāi)關(guān)速度快、易于驅(qū)動(dòng)、損耗低等優(yōu)勢(shì)。  

 

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(kāi)關(guān)。  

 

在結(jié)構(gòu)上，MOSFET和IGBT看起來(lái)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(méi)有任何PN結(jié)。  

 

IGBT與MOSFET有9大異同點(diǎn)：  

 

在低電流區(qū)，MOSFET的導(dǎo)通電壓低于IGBT，這也是它的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，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(kāi)關(guān)速度比較低，MOSFET開(kāi)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。   

 

 

圖：IGBT vs MOSFET結(jié)構(gòu)圖示    

 

上述這些差別，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(kāi)關(guān)頻率下使用，此時(shí)它們比單極性MOSFET具有更高的開(kāi)關(guān)損耗。    

 

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(guò)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：不同類型晶體管的性能比較    

 

02  

MOSFET特別適合高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用  

 

作為電源開(kāi)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_(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓峰值降至最低。  

 

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)決定了它非常適合高頻且開(kāi)關(guān)速度要求高的應(yīng)用。在開(kāi)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(kāi)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)。  

 

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。  

 

03  

IGBT適合高壓大電流應(yīng)用  

 

與MOSFET相比，IGBT開(kāi)關(guān)速度較慢，關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，不適合高頻應(yīng)用。  

 

IGBT的主要優(yōu)勢(shì)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(guò)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。  

 

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(lái)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(kāi)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(guò)載，要求在1分鐘的時(shí)間內(nèi)IGBT能夠承受1.5倍的過(guò)流。  

 

三是開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗越小，正向壓降也更小。      

 

小  結(jié)    

 

IGBT和MOSFET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。MOSFET工作頻率達(dá)到了兆Hz級(jí)，IGBT在大功率化和高頻化之間找到了市場(chǎng)突破點(diǎn)。  

 

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(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 等開(kāi)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(kāi)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。  

 

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。  

 

在國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程上華潤(rùn)微、士蘭微、新潔能、捷捷微電的MOSFET ，以及比亞迪微電子、斯達(dá)半導(dǎo)體、士蘭微的IGBT進(jìn)入與國(guó)際10大原廠混戰(zhàn)的階段，具備局部?jī)?yōu)勢(shì)。  

 

關(guān)注原理、關(guān)注參數(shù)、關(guān)注應(yīng)用，是元器件選型三要素。

 

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