MOSFET和IGBT的概念和優(yōu)缺點

MOSFET和IGBT的概念

場效應(yīng)管主要有兩種類型，分別是結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）。

mosfet是什么意思

金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其"通道"(工作載流子)的極性不同，可分為"N型"與"P型" 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡稱上包括NMOS、PMOS等。

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由晶體三極管和MOS管組成的復(fù)合型半導(dǎo)體器件。

IGBT作為新型電子半導(dǎo)體器件，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，在各種電子電路中獲得極廣泛的應(yīng)用。

從結(jié)構(gòu)來說，以N型溝道為例，IGBT與MOSFET（VDMOS）的差別在于MOSFET的襯底為N型，IGBT的襯底為P型；從原理上說IGBT相當(dāng)與一個mosfet和一個BIpolar的組合，通過背面P型層的空穴注入降低器件的導(dǎo)通電阻，但同時也會引入一些拖尾電流等問題；從產(chǎn)品來說，IGBT一般用在高壓功率產(chǎn)品上，從600V到幾千伏都有；MOSFET應(yīng)用電壓相對較低從十幾伏到1000左右。

二、MOSFET和IGBT的功率區(qū)別

IGBT可以提供很大的功率、電流和電壓，但是頻率并不太高。目前的IGBT硬開關(guān)速度可以達到100KHZ，已經(jīng)不錯了。但是，相對于MOSFET的工作頻率來說還是杯水車薪，MOSFET可以工作到幾百KHZ、MHZ，甚至幾十MHZ的射頻產(chǎn)品。

三、MOSFET和IGBT的優(yōu)缺點

3.1 MOSFET

MOSFET是一個三端（柵極、漏極和源極）全控開關(guān)。柵極/控制信號發(fā)生在柵極和源極之間，其開關(guān)端為漏極和源極。柵極本身由金屬制成，使用金屬氧化物與源極和漏極分開。這可以減少功耗，并使晶體管成為用作電子開關(guān)或共源放大器的絕佳選擇。

為了正常工作，MOSFET必須保持正溫度系數(shù)。這意味著幾乎沒有熱失控的機會。通態(tài)損耗較低，因為理論上晶體管的通態(tài)電阻沒有限制。此外，由于MOSFET可以在高頻下工作，它們可以執(zhí)行快速開關(guān)應(yīng)用而關(guān)斷損耗很小。

MOSFET的種類很多，但最能與IGBT相媲美的是功率MOSFET。它專為處理重要的功率水平而設(shè)計。它們僅在“開”或“關(guān)”狀態(tài)下使用，這導(dǎo)致它們成為使用最廣泛的低壓開關(guān)。與IGBT相比，功率MOSFET在低電壓工作時具有換流速度更快和效率更高的優(yōu)點。

更重要的是，它可以維持高阻斷電壓并保持高電流。這是因為大多數(shù)功率MOSFET結(jié)構(gòu)都是垂直的（不是平面的）。它的額定電壓是N-外延層的摻雜和厚度的直接函數(shù)，它的額定電流與溝道的寬度有關(guān)（溝道越寬，電流越高）。由于其效率，功率MOSFET用于電源、dc/dc轉(zhuǎn)換器和低壓電機控制器。

3.2 IGBT

IGBT也是一個三端（柵極、集電極和發(fā)射極）全控開關(guān)。它的柵極/控制信號發(fā)生在柵極和發(fā)射極之間，其開關(guān)端子是漏極和發(fā)射極。它結(jié)合了MOSFET中的簡單柵極驅(qū)動特性和雙極晶體管的高電流和低飽和電壓能力。它通過使用隔離柵場效應(yīng)晶體管作為控制輸入，使用雙極功率晶體管作為開關(guān)來實現(xiàn)這一點。

更重要的是，IGBT專門設(shè)計用于快速開啟和關(guān)閉。事實上，它的脈沖重復(fù)頻率實際上進入了超聲波范圍。這種獨特的能力是為什么IGBT經(jīng)常與放大器一起使用，以利用脈寬調(diào)制和低通濾波器合成復(fù)雜波形。它們還用于在粒子和等離子體物理學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生大功率脈沖，并在電動汽車、火車、變速冰箱、空調(diào)等現(xiàn)代電器中發(fā)揮作用。更多詳細信息，請參閱本文“ MOSFET與IGBT ”。

四、MOSFET和IGBT的應(yīng)用特點

至于它的應(yīng)用，根據(jù)它的特點：MOSFET用于開關(guān)電源（可以看這篇論文《大功率可調(diào)開關(guān)電源的工作原理》，鎮(zhèn)流器，高頻感應(yīng)加熱，高頻逆變焊接機、通訊電源等高頻電源，IGBT專注于焊接、逆變器、逆變器、電鍍電源、超音頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。

開關(guān)電源(SMPS)的性能在很大程度上取決于功率半導(dǎo)體器件的選擇，即開關(guān)和整流器。

MOSFET開關(guān)電源

雖然對于選擇IGBT或MOSFET的問題并沒有全面的解決方案，但比較IGBT和MOSFET在具體SMPS應(yīng)用中的性能，仍然可以確定關(guān)鍵參數(shù)的范圍。

MOSFET和IGBT中的V傳導(dǎo)損耗

除了IGBT壓降更長之外，IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)通特性非常相似。從基本的IGBT等效電路（見圖1）可以看出，PNP BJT集電極基區(qū)的少數(shù)載流子完全調(diào)整所需的時間導(dǎo)致電壓拖尾電壓的出現(xiàn)。

圖1：IGBT等效電路

這種延遲會導(dǎo)致準(zhǔn)飽和效應(yīng)，因此集電極/發(fā)射極電壓不會立即降至其VCE (sat)值。當(dāng)負載電流從封裝的并聯(lián)、反并聯(lián)二極管切換到IGBT的集電極時，這種效應(yīng)還會導(dǎo)致ZVS情況下的VCE電壓升高。

IGBT數(shù)據(jù)表中列出的Eon能耗是每個轉(zhuǎn)換周期的Icollector和VCE乘積的時間積分，單位為焦耳，并且包含與等級飽和相關(guān)的額外損耗。它進一步分為兩個Eon能量參數(shù)，Eon1和Eon2。Eon1不包括與硬開關(guān)二極管損耗相關(guān)的功率損耗，而Eon2包括與二極管恢復(fù)相關(guān)的硬開關(guān)開通能量，可以通過恢復(fù)與二極管封裝二極管相同的二極管來測量。

通常，Eon2測試電路如圖2所示。IGBT通過使用兩個脈沖打開和關(guān)閉來測量Eon。第一個脈沖將增加電感電流以達到所需的測試電流，然后第二個脈沖將測量測試電流在二極管上恢復(fù)時的Eon損耗。

圖2：典型的導(dǎo)通能量Eon和關(guān)斷能量Eoff測試電路

Eon開關(guān)損耗由柵極驅(qū)動電壓和阻抗以及硬開關(guān)導(dǎo)通時整流二極管的恢復(fù)特性決定。對于傳統(tǒng)的CCM升壓PFC電路，升壓二極管恢復(fù)特性在Eon(on)能耗控制中極為重要。除了選擇具有最小Trr和QRR的升壓二極管外，確保二極管具有軟恢復(fù)特性也很重要。柔軟度，即tb / ta的比率，對開關(guān)器件產(chǎn)生的電噪聲和電壓尖峰有相當(dāng)大的影響。

一些高速二極管在時間tb期間IRM (REC)的電流下降率(di/dt)很高，從而在電路的寄生電感中產(chǎn)生高電壓尖峰。這些電壓尖峰會導(dǎo)致電磁干擾(EMI)，并可能導(dǎo)致二極管上的反向電壓過高。

在全橋和半橋拓撲等硬開關(guān)電路中，采用IGBT封裝的封裝是快速恢復(fù)晶體管或MOSFET體二極管。當(dāng)相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通時，二極管有電流流過，二極管的恢復(fù)特性決定了Eon損耗。因此，選擇具有快速體二極管恢復(fù)特性的MOSFET非常重要。不幸的是，MOSFET的寄生二極管或體二極管的恢復(fù)特性比目前業(yè)界使用的分立二極管要慢。因此，對于硬開關(guān)MOSFET應(yīng)用，體二極管通常是決定SMPS工作頻率的限制因素。

通常，選擇IGBT封裝二極管以匹配其應(yīng)用，具有較低正向傳導(dǎo)損耗的較慢超快二極管和較慢的低VCE (sat)電機驅(qū)動IGBT封裝。相比之下，軟恢復(fù)超快二極管可以與高頻SMPS2開關(guān)模式IGBT組合進行封裝。除了選擇合適的二極管外，設(shè)計人員還可以通過調(diào)整柵極驅(qū)動導(dǎo)通源阻抗來控制Eon損耗。降低驅(qū)動源阻抗將增加IGBT或MOSFET的開/關(guān)并降低Eon損耗。Eon損耗和EMI需要妥協(xié)，因為更高的di/dt會導(dǎo)致電壓尖峰，增加輻射和傳導(dǎo)EMI。為了選擇正確的柵極驅(qū)動阻抗以滿足開通di/dt要求，可能需要對電路進行內(nèi)部測試和驗證。

圖3：MOSFET傳輸特性

假設(shè)FET電流在導(dǎo)通時上升到10 A，則柵極電壓必須從5.2 V過渡到6.7 V，才能根據(jù)圖3中25 °C時的曲線達到10 A的值，平均GFS為10 A / (6.7 V- 5.2V) = 6.7mΩ。

等式1得出所需on di / dt的柵極驅(qū)動阻抗

將平均GFS值應(yīng)用于公式1會導(dǎo)致柵極驅(qū)動電壓Vdrive = 10V，所需的di / dt = 600A / μs，F(xiàn)CP11N60的VGS (avg) = 6V和Ciss = 1200pF的典型值；柵極驅(qū)動阻抗為37Ω。由于瞬態(tài)GFS值在圖3的圖表中是一條對角線，因此在Eon期間會發(fā)生變化，這意味著di / dt也會發(fā)生變化。指數(shù)衰減的柵極驅(qū)動電流Vdrive和下降的Ciss也作為VGS的函數(shù)進入公式，呈現(xiàn)出令人驚訝的線性電流上升的整體效應(yīng)。

類似地，可以對IGBT執(zhí)行類似的柵極驅(qū)動導(dǎo)通電阻計算。VGE (avg)和GFS可以由IGBT開關(guān)特性確定，并且使用VGE (avg)處的CIES值代替Ciss。計算得到的IGBT開通柵極驅(qū)動阻抗為100Ω，高于之前的37Ω，說明IGBT GFS越高，CIES越低。這里的關(guān)鍵點是，為了從MOSFET切換到IGBT，必須調(diào)整柵極驅(qū)動電路。

六、傳導(dǎo)損耗詳解

與額定電壓為600V的器件相比，IGBT通常比相同芯片尺寸的600V MOSFET具有更少的傳導(dǎo)損耗。當(dāng)集電極和漏極電流密度被清楚地檢測到并且在最壞的情況下工作結(jié)溫時，應(yīng)該進行這種比較。例如，F(xiàn)GP20N6S2 SMPS2 IGBT和FCP11N60 SuperFET的RθJC值為1°C/W。圖4顯示了結(jié)溫為125°C時導(dǎo)通損耗與直流電流的關(guān)系。MOSFET在直流電流大于2.92A時更大。

圖4：傳導(dǎo)損耗DC工作

圖5：CCM升壓PFC電路中的傳導(dǎo)損耗

然而，圖4中的直流傳導(dǎo)損耗不太適合大多數(shù)應(yīng)用。同時，圖5顯示了CCM（連續(xù)電流模式）、升壓PFC電路、125°C結(jié)溫以及85V交流輸入電壓Vac和400Vdc直流輸出電壓工作模式下的傳導(dǎo)損耗比較。圖中，MOSFET-IGBT的曲線交叉點為2.65A RMS。對于PFC電路，當(dāng)交流輸入電流大于2.65A RMS時，MOSFET的傳導(dǎo)損耗更大。2.65A PFC交流輸入電流等于MOSFET中通過公式2計算的2.29A RMS。計算MOSFET傳導(dǎo)損耗I2R、公式2定義的電流以及125°C時MOSFET的RDS (on)。將RDS (on)考慮到漏極電流的變化，可以進一步細化導(dǎo)通損耗，如圖6所示。

圖6：FCP11N60 (MOSFET)：RDS (on)與IDRAIN和VGE變化

在MOSFET傳導(dǎo)非常小的占空比的高脈動電流拓撲中，應(yīng)考慮圖6所示的特性。如果FCP11N60 MOSFET工作在一個漏極電流為20A脈沖（即5.5A RMS）且占空比為7.5%的電路中，則有效RDS (on)將小于5.5A（數(shù)據(jù)表中的測試電流）0.32歐姆大25%。

公式2 CCM PFC電路中的RMS電流

在公式2中，Iacrms是PFC電路RMS輸入電流；Vac為PFC電路RMS輸入電壓；Vout是直流輸出電壓。

在實際應(yīng)用中，計算類似PFC電路中IGBT的導(dǎo)通損耗會更加復(fù)雜，因為每個開關(guān)周期是在不同的IC上執(zhí)行的。IGBT的VCE(sat)不能用單一阻抗來表示。更簡單直接的方法是將其表示為與固定VFCE電壓串聯(lián)的電阻器RFCE，VCE (ICE) = ICE × RFCE + VFCE。然后可以將傳導(dǎo)損耗計算為平均集電極電流和VFCE的乘積，加上RMS集電極電流的平方，再乘以阻抗RFCE。

圖5中的示例僅考慮了CCM PFC電路的傳導(dǎo)損耗，對于最差傳導(dǎo)情況的設(shè)計目標(biāo)，假設(shè)其小于15W。以FCP11N60 MOSFET為例，該電路限制在5.8A，F(xiàn)GP20N6S2 IGBT可以在9.8A交流輸入電流下工作。它傳導(dǎo)70%以上的MOSFET功率。

盡管IGBT具有低傳導(dǎo)損耗，但大多數(shù)600V IGBT是PT（穿通）器件。PT器件具有NTC（負溫度系數(shù)）特性，不能并聯(lián)?；蛟S，這些器件可以通過匹配器件VCE (sat)、VGE (TH)（柵極觸發(fā)閾值電壓）和機械封裝來實現(xiàn)有限的并聯(lián)，從而使IGBT芯片的溫度保持恒定不變。相比之下，MOSFET具有PTC（正溫度系數(shù)），可提供良好的電流分流。

總結(jié)兩者區(qū)別

1.由于MOSFET的結(jié)構(gòu),通常它可以做到電流很大,可以到上KA,但是前提耐壓能力沒有IGBT強。

2.IGBT可以做很大功率,電流和電壓都可以,就是一點頻率不是太高,目前IGBT硬開關(guān)速度可以到100KHZ,那已經(jīng)是不錯了.不過相對于MOSFET的工作頻率還是九牛一毛,MOSFET可以工作到幾百KHZ,上MHZ,以至幾十MHZ,射頻領(lǐng)域的產(chǎn)品.

3.就其應(yīng)用,根據(jù)其特點:MOSFET應(yīng)用于開關(guān)電源,鎮(zhèn)流器,高頻感應(yīng)加熱,高頻逆變焊機,通信電源等等高頻電源領(lǐng)域;IGBT集中應(yīng)用于焊機,逆變器,變頻器,電鍍電解電源,超音頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域。

文章來源：功率半導(dǎo)體生態(tài)圈

審核編輯：湯梓紅