【導讀】半導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器件，具有開關速度快、易于驅動、損耗低等優勢。IGBT全稱是絕緣柵極型功率管，是由雙極型三極管（BJT）和MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式半導體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面的優點。隨著新能源汽車、智能家電、5G、軌道交通等行業的興起，MOSFET和IGBT也迎來了發展的春天。
然而，在實際應用中，工程師們都會遇到一個相同的困惑：器件的選型著實令人頭疼。對此，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，在選型時應著重查看哪些參數。
MOSFET和IGBT的異同點
MOSFET和IGBT均為集成在單片硅上的固態半導體器件，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。在應用中，IGBT和MOSFET都可以用作靜態電子開關。
雖然有很多共同點，但在性能參數和應用上，IGBT與MOSFET還是有許多不同之處。
在結構上，MOSFET和IGBT看起來非常相似，實則不同。IGBT由發射極、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的結構中有PN結，MOSFET沒有任何PN結。
在特性參數上，MOSFET和IGBT的主要區別體現在以下9個方面：
● 在低電流區，MOSFET的導通電壓低于IGBT，這也是它的優勢。不過，在大電流區IGBT的正向電壓特性優于MOSFET。此外，由于MOSFET的正向特性對溫度具有很強的正向依賴性，因此，IGBT的高溫特性更好，導通電壓比MOSFET低。
● IGBT適用于中到極高電流的傳導和控制，而MOSFET適用于低到中等電流的傳導和控制。
● IGBT不適合高頻應用，它能在千Hz頻率下運行良好。MOSFET特別適合非常高頻的應用，它可以在兆Hz頻率下運行良好。
● IGBT的開關速度比較低，MOSFET開關速度非常高。
● 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用。
● IGBT具有較大的關斷時間，MOSFET的關斷時間較小。
● IGBT可以處理任何瞬態電壓和電流，但當發生瞬態電壓時，MOSFET的運行會受到干擾。
● MOSFET器件成本低，價格便宜，而IGBT至今仍屬于較高成本器件。
● IGBT適合高功率交流應用，MOSFET適合低功率直流應用。
因為上述這些差別，在應用上MOSFET和IGBT各有側重點。通常，MOSFET的額定電壓約為600V，而IGBT的額定電壓能夠達到1400V。從額定電壓角度看，IGBT主要用于更高電壓的應用。從工作頻率角度看，IGBT通常在低于20kHz的開關頻率下使用，此時它們比單極性MOSFET具有更高的開關損耗。
綜合來看，對于低頻（小于20kHz）、高壓（大于1000V）、小或窄負載或線路變化、高工作溫度，以及超過5kw的額定輸出功率應用，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）的應用。
圖1：不同類型晶體管的性能比較（圖源：TOSHIBA）
MOSFET關鍵的電氣參數
MOSFET的優點決定了它非常適合高頻且開關速度要求高的應用。在開關電源（SMPS）中，MOSFET的寄生參數至關重要，它決定了轉換時間、導通電阻、振鈴（開關時超調）和背柵擊穿等性能，這些都與SMPS的效率密切相關。
作為電源開關，選擇的MOSFET應該具有極低的導通電阻、低輸入電容（即Miller電容）以及極高的柵極擊穿電壓，這個數值甚至高到足以處理電感產生的任何峰值電壓。另外，漏極和源極之間的寄生電感也是越低越好，因為低寄生電感可將開關過程中的電壓峰值降至最低。
對于門驅動器或者逆變器應用，通常需要選擇低輸入電容（利于快速切換）以及較高驅動能力的MOSFET。
IGBT關鍵的電氣參數
IGBT的主要優勢是能夠處理和傳導中至超高電壓和大電流，擁有非常高的柵極絕緣特性，且在電流傳導過程中產生非常低的正向壓降，哪怕浪涌電壓出現時，IGBT的運行也不會受到干擾。不足之處在于IGBT不適合高頻應用。與MOSFET相比，開關速度較慢，關斷時間較長。
在實際應用中，逆變技術對IGBT的參數要求并不是一成不變的，對IGBT的要求各不相同。
綜合來看，下面這些參數在IGBT的選擇中是至關重要的。
● 一是額定電壓，在開關工作的條件下，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，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，要求在1分鐘的時間內IGBT能夠承受1.5倍的過流。
● 三是開關速度。
● 四是柵極電壓，IGBT的工作狀態與正向柵極電壓有很大關系，電壓越高，開關損耗越小，正向壓降也更小。
新能源汽車中的IGBT和MOSFET
汽車電動化乃大勢所趨。現在，各國政府紛紛制定了各自的碳達峰和碳中和目標，從傳統的ICE車輛轉向純電動車輛具有非常重要的意義。更嚴格的全球CO2排放要求不斷加速汽車電動化的進程，預計從2021年到2026年電動車/混合動力車（EV/HEV）的復合年增長率（CAGR(VOL)）將達到20.1%，被稱為零排放汽車（ZEV）的電池電動汽車（BEV），其CAGR（VOL）將高達29.7%。
圖2：EV/HEV在未來5年的增長（圖源：onsemi)
新能源車中的電機控制系統、引擎控制系統、車身控制系統均需使用大量的半導體功率器件，它的普及為汽車功率半導體市場打開了增長的窗口。在各類半導體功率器件中，未來增長最強勁的產品將是MOSFET與IGBT模塊。
據研究機構IC Insights的分析結果，2016年，全球MOSFET市場規模達到了62億美元，預計2016年至2022年間MOSFET市場的年復合增長率將達到3.4%。預計到2022年，全球MOSFET市場規模將接近75億美元。
IGBT是新能源汽車高壓系統的核心器件，其最核心應用為主驅逆變，此外還包括車載充電器（OBC）、電池管理系統、車載空調控制系統、轉向等高壓輔助系統。在直流和交流充電樁中，IGBT也有著廣泛應用。在新能源汽車中，MOSFET主要在汽車低壓電器中使用，比如電動座椅調節、電池電路保護、雨刷器的直流電機、LED照明系統等。
IGBT和MOSFET“芯”品推薦
AFGHL25T120RHD是安森美（onsemi）汽車級低成本的1200V 25A IGBT，該模塊符合AEC Q101規范，具有堅固且經濟高效的場阻II溝槽結構。在要求苛刻的開關應用中可提供優異的性能，同時提供低導通電壓和最小的開關損耗，可用于EV/HEV的PTC加熱器、電動壓縮機、車載充電器等系統中。
安森美的另一款MOSFET模塊FAM65CR51ADZ1，是一款650V的電源集成模塊（PIM），它帶有升壓轉換器器，主要用于EV/HEV中的車載充電器（OBC）中，它能讓系統的設計更加小巧、高效和可靠。
Infineon Technologies（英飛凌）有著極其豐富的IGBT功率模塊產品組合，這些產品系列擁有不同的電路結構、芯片配置和電流電壓等級，覆蓋了市場上的大多數應用。它們有斬波器、DUAL、PIM、四單元、六單元、十二單元、三電平、升壓器或單開關配置，電流等級從6A到3600A不等。IGBT模塊的適用功率小至幾百瓦，高至數兆瓦。
比如，英飛凌的HybridPACK系列就提供基于6種不同封裝的多個版本，專門針對100kW到200kW之間的不同逆變器性能水平進行了優化，拓展了面向EV/HEV的IGBT模塊功率區間。該系列中的HybridPACK Drive是一款非常緊湊的功率模塊，專為EV/HEV車輛牽引應用而優化，功率范圍為100kW至175kW，可在電動汽車的實際驅動循環中實現最高效率，即使在惡劣環境條件下也能可靠運行逆變器。
圖3：用于電動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產品家族中的低性能產品，經濟劃算，分別適用于100kW至150kW逆變器。作為產品組合中的高端產品，HybridPACK Drive Performance模塊（FS950R08A6P2B）的目標應用是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主要針對高性能的汽車應用，CoolMOS N溝道MOSFET是該公司具有代表性的產品系列，適合低功率至高功率應用，在易用性、高性能與價格之間取得了巧妙平衡。
結語
功率半導體器件又稱為電力電子器件，是電力電子裝置實現電能轉換、電路控制的核心器件。上世紀80年代發展起來的硅基MOSFET工作頻率達到了兆Hz級。隨著硅基IGBT的出現，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）、工業逆變器、功率控制、電機驅動、脈寬調制（PWM）、開關電源（SMPS）等開關應用中，MOSFET和IGBT因其具有的優越特性，在性能上明顯優于其他開關器件。其中，MOSFET主要用于較低的電壓和功率系統，而IGBT更適合較高的電壓和功率應用。
在新能源汽車、智能家電、5G等需求的拉動下，IGBT和MOSFET的市場規模不斷擴大，進入該領域的企業越來越多。如何在品類繁雜的市場中找到最符合自己需求的產品是一件令人頭疼的事。其實，無論多么復雜，你只需關注上面我們介紹的那些主要參數，相信就一定會找到滿意的產品。
來源：貿澤電子
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