IGBT和MOSFET该用谁?你选对了吗?

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文章来源:贸泽电子

半导体功率器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。其中MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件,具有开关速度快、易于驱动、损耗低等优势。IGBT全称是绝缘栅极型功率管,是由双极型三极管(BJT)和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。随着新能源汽车、智能家电、5G、轨道交通等行业的兴起,MOSFET和IGBT也迎来了发展的春天。

然而,在实际应用中,工程师们都会遇到一个相同的困惑:器件的选型着实令人头疼。对此,小编感同身受。今天,我们就一起来看看MOSFET和IGBT之间的有哪些异同点,在选型时应着重查看哪些参数。

MOSFET和IGBT的异同点

MOSFET和IGBT均为集成在单片硅上的固态半导体器件,且都属于电压控制器件。另外,IGBT和MOSFET在栅极和其他端子之间都有绝缘,两种器件全部具有较高的输入阻抗。在应用中,IGBT和MOSFET都可以用作静态电子开关。
虽然有很多共同点,但在性能参数和应用上,IGBT与MOSFET还是有许多不同之处。

在结构上,MOSFET和IGBT看起来非常相似,实则不同。IGBT由发射极、集电极和栅极端子组成,而MOSFET由源极、漏极和栅极端子组成。IGBT的结构中有PN结,MOSFET没有任何PN结。

在特性参数上,MOSFET和IGBT的主要区别体现在以下9个方面:

  • 在低电流区,MOSFET的导通电压低于IGBT,这也是它的优势。不过,在大电流区IGBT的正向电压特性优于MOSFET。此外,由于MOSFET的正向特性对温度具有很强的正向依赖性,因此,IGBT的高温特性更好,导通电压比MOSFET低。

  • IGBT适用于中到极高电流的传导和控制,而MOSFET适用于低到中等电流的传导和控制。
  • IGBT不适合高频应用,它能在千Hz频率下运行良好。MOSFET特别适合非常高频的应用,它可以在兆Hz频率下运行良好。
  • IGBT的开关速度比较低,MOSFET开关速度非常高。
  • IGBT可以承受非常高的电压以及大功率,MOSFET仅适用于低至中压应用。
  • IGBT具有较大的关断时间,MOSFET的关断时间较小。
  • IGBT可以处理任何瞬态电压和电流,但当发生瞬态电压时,MOSFET的运行会受到干扰。
  • MOSFET器件成本低,价格便宜,而IGBT至今仍属于较高成本器件。
  • IGBT适合高功率交流应用,MOSFET适合低功率直流应用。

因为上述这些差别,在应用上MOSFET和IGBT各有侧重点。通常,MOSFET的额定电压约为600V,而IGBT的额定电压能够达到1400V。从额定电压角度看,IGBT主要用于更高电压的应用。从工作频率角度看,IGBT通常在低于20kHz的开关频率下使用,此时它们比单极性MOSFET具有更高的开关损耗。

综合来看,对于低频(小于20kHz)、高压(大于1000V)、小或窄负载或线路变化、高工作温度,以及超过5kw的额定输出功率应用,IGBT是首选。而MOSFET更适合低电压(小于250V)、大占空比和高频(大于200KHz)的应用。

不同类型晶体管的性能比较

图1:不同类型晶体管的性能比较(图源:TOSHIBA)

MOSFET关键的电气参数

MOSFET的优点决定了它非常适合高频且开关速度要求高的应用。在开关电源(SMPS)中,MOSFET的寄生参数至关重要,它决定了转换时间、导通电阻、振铃(开关时超调)和背栅击穿等性能,这些都与SMPS的效率密切相关。

作为电源开关,选择的MOSFET应该具有极低的导通电阻、低输入电容(即Miller电容)以及极高的栅极击穿电压,这个数值甚至高到足以处理电感产生的任何峰值电压。另外,漏极和源极之间的寄生电感也是越低越好,因为低寄生电感可将开关过程中的电压峰值降至最低。

对于门驱动器或者逆变器应用,通常需要选择低输入电容(利于快速切换)以及较高驱动能力的MOSFET。

IGBT关键的电气参数

IGBT的主要优势是能够处理和传导中至超高电压和大电流,拥有非常高的栅极绝缘特性,且在电流传导过程中产生非常低的正向压降,哪怕浪涌电压出现时,IGBT的运行也不会受到干扰。不足之处在于IGBT不适合高频应用。与MOSFET相比,开关速度较慢,关断时间较长。

在实际应用中,逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的,对IGBT的要求各不相同。

综合来看,下面这些参数在IGBT的选择中是至关重要的。

  • 一是额定电压,在开关工作的条件下,IGBT的额定电压通常要高于直流母线电压的两倍。

  • 二是额定电流,由于负载电气启动或加速时,电流过载,要求在1分钟的时间内IGBT能够承受1.5倍的过流。
  • 三是开关速度。
  • 四是栅极电压,IGBT的工作状态与正向栅极电压有很大关系,电压越高,开关损耗越小,正向压降也更小。

新能源汽车中的IGBT和MOSFET

汽车电动化乃大势所趋。现在,各国政府纷纷制定了各自的碳达峰和碳中和目标,从传统的ICE车辆转向纯电动车辆具有非常重要的意义。更严格的全球CO2排放要求不断加速汽车电动化的进程,预计从2021年到2026年电动车/混合动力车(EV/HEV)的复合年增长率(CAGR(VOL))将达到20.1%,被称为零排放汽车(ZEV)的电池电动汽车(BEV),其CAGR(VOL)将高达29.7%。

EV/HEV在未来5年的增长

图2:EV/HEV在未来5年的增长(图源:onsemi)

新能源车中的电机控制系统、引擎控制系统、车身控制系统均需使用大量的半导体功率器件,它的普及为汽车功率半导体市场打开了增长的窗口。在各类半导体功率器件中,未来增长最强劲的产品将是MOSFET与IGBT模块。

据研究机构IC Insights的分析结果,2016年,全球MOSFET市场规模达到了62亿美元,预计2016年至2022年间MOSFET市场的年复合增长率将达到3.4%。预计到2022年,全球MOSFET市场规模将接近75亿美元。

IGBT是新能源汽车高压系统的核心器件,其最核心应用为主驱逆变,此外还包括车载充电器(OBC)、电池管理系统、车载空调控制系统、转向等高压辅助系统。在直流和交流充电桩中,IGBT也有着广泛应用。在新能源汽车中,MOSFET主要在汽车低压电器中使用,比如电动座椅调节、电池电路保护、雨刷器的直流电机、LED照明系统等。

IGBT和MOSFET“芯”品推荐

AFGHL25T120RHD是 安森美(onsemi)汽车级低成本的1200V 25A IGBT,该模块符合AEC Q101规范,具有坚固且经济高效的场阻II沟槽结构。在要求苛刻的开关应用中可提供优异的性能,同时提供低导通电压和最小的开关损耗,可用于EV/HEV的PTC加热器、电动压缩机、车载充电器等系统中。
安森美的另一款MOSFET模块FAM65CR51ADZ1,是一款650V的电源集成模块(PIM),它带有升压转换器器,主要用于EV/HEV中的车载充电器(OBC)中,它能让系统的设计更加小巧、高效和可靠。
Infineon Technologies(英飞凌)有着极其丰富的IGBT功率模块产品组合,这些产品系列拥有不同的电路结构、芯片配置和电流电压等级,覆盖了市场上的大多数应用。它们有斩波器、DUAL、PIM、四单元、六单元、十二单元、三电平、升压器或单开关配置,电流等级从6A到3600A不等。IGBT模块的适用功率小至几百瓦,高至数兆瓦。

比如,英飞凌的HybridPACK系列就提供基于6种不同封装的多个版本,专门针对100kW到200kW之间的不同逆变器性能水平进行了优化,拓展了面向EV/HEV的IGBT模块功率区间。该系列中的HybridPACK Drive是一款非常紧凑的功率模块,专为EV/HEV车辆牵引应用而优化,功率范围为100kW至175kW,可在电动汽车的实际驱动循环中实现最高效率,即使在恶劣环境条件下也能可靠运行逆变器。

用于电动汽车主逆变器的功率模块HybridPACK Drive IGBT模块

图3:用于电动汽车主逆变器的功率模块HybridPACK Drive IGBT模块(图源:Infineon)

其中,HybridPACK Drive Flat模块(FS660R08A6P2Fx)和Wave模块(FS770R08A6P2x)是HybridPACK Drive产品家族中的低性能产品,经济划算,分别适用于100kW至150kW逆变器。作为产品组合中的高端产品,HybridPACK Drive Performance模块(FS950R08A6P2B)的目标应用是200kW逆变器。因使用了专门的陶瓷材料,而非常用的氧化铝,其散热性能提升了20%以上,可以达到更高的电流承受能力。

英飞凌旗下的600V、650V及800V N沟道功率MOSFET主要针对高性能的汽车应用,CoolMOS N沟道MOSFET是该公司具有代表性的产品系列,适合低功率至高功率应用,在易用性、高性能与价格之间取得了巧妙平衡。

结语

功率半导体器件又称为电力电子器件,是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。上世纪80年代发展起来的硅基MOSFET工作频率达到了兆Hz级。随着硅基IGBT的出现,功率器件在大功率化和高频化之间找到了解决方案。

在不间断电源(UPS)、工业逆变器、功率控制、电机驱动、脉宽调制(PWM)、开关电源(SMPS)等开关应用中,MOSFET和IGBT因其具有的优越特性,在性能上明显优于其他开关器件。其中,MOSFET主要用于较低的电压和功率系统,而IGBT更适合较高的电压和功率应用。

在新能源汽车、智能家电、5G等需求的拉动下,IGBT和MOSFET的市场规模不断扩大,进入该领域的企业越来越多。如何在品类繁杂的市场中找到最符合自己需求的产品是一件令人头疼的事。其实,无论多么复杂,你只需关注上面我们介绍的那些主要参数,相信就一定会找到满意的产品。

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