浮思特 | IGBT与MOSFET哪种才是最有效的电力开关解决方案

电子设备正逐渐融入越来越多的产品中。无论产品是便携式还是固定式，大多数电子设备都需要高效地将电能(或开关)从一种形式转换为另一种形式。为此，采用了电力电子技术，供应商们开发了丰富的开关器件供各种应用选择。如今电力电子的趋势是使用半导体开关器件来整流、切换和控制电压和电流。

随着二极管、晶闸管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)解决方案的选择扩展，了解如何区分它们变得尤为重要。研究一些流行的半导体开关器件技术为确定特定设计的最佳选择提供了基础。

本文概述了三种可用开关技术的结构、主要特征及其操作差异，并提供了多个通常指定这些设备的应用实例。此外，还将介绍Bourns新推出的IGBT组件，这些组件专为高电压、高功率开关应用而设计，包括高电压系统中的高电流切换。

 

为什么需要新的解决方案

 

向清洁能源形式的转变推动了各个层面上对能源使用的日益关注，这可以从电力开关效率的组件层面开始。尽管以下列出的应用并未覆盖所有情况，但其中一些应用使用半导体开关器件来提高效率。

 

· 从小型家用电动机到大型工业和汽车电动机

· 不间断电源(UPS)逆变器将直流电转换为50/60赫兹

· 家用电器中的电动机驱动和开关(例如，制冷压缩机、感应烹饪表面、空调风扇和取暖器的继电器替换)

· 在高能物理中产生高功率脉冲

· 交流到交流和交流到直流系统的电力转化

· 在感应加热系统中控制电流流动，以用于烹饪和工业应用

· 高功率D类音频放大器

· 焊接H桥逆变器

 

这些应用通常在高电压和高功率下运行。在过去的电力电子开关设备可能适用于的解决方案，可能无法满足今天更严格的可靠性和效率系统规范。

 

三大技术

 

值得探讨的三种技术是双极结晶体管(BJT)、MOSFET和IGBT。这三种器件都与外部连接有三条主要引脚：BJT有集电极、发射极和基极;MOSFET有栅极、源极和漏极;IGBT有集电极、栅极和发射极。根本上的最大区别在于这些半导体器件的驱动方式。BJT由电流驱动，而MOSFET和IGBT则由电压驱动。这是本文中一个重要的区分点。

 

BJT（双极型晶体管）

 

可以简单地将BJT视为两个反向连接的二极管，构成PN到NP或NP到PN的配置，从而形成PNP或NPN结。BJT成为一个三端半导体器件，第一层为发射极，中间三层为基极，第三层为集电极。

图1

 

图1显示了BJT最常见的配置，即共发射极。在此配置中，发射极接地，输出从集电极和发射极之间获取。BJT的共发射极配置提供中等输入阻抗、高输出阻抗、中等电流和电压增益，以及非常高的功率增益。在该配置中，电流方程为iE = iC + iB，表明进入和离开设备的电流相等。基极电流的微小变化会导致集电极电流的较大变化，这些基极电流的微小变化控制电路。

 

MOSFET（mos管）

 

历史上，MOSFET在设计师中获得了最多的关注。与BJT类似，MOSFET可以是N通道或P通道。N通道MOSFET在交流/直流电源、直流-直流转换器和逆变器设备等应用中很受欢迎，而P通道MOSFET更常用于负载开关、高侧开关及其他类似应用。MOSFET相对于BJT的优点包括高输入阻抗、小的反向传递电容、低栅极功耗、宽安全工作区域和易于驱动。由于其更小的体积和更快的开关能力，MOSFET在过去20多年中比BJT更广泛地应用。

图2

 

图2显示了MOSFET的截面，揭示其结构比BJT稍微复杂。由于电压驱动的特性，其操作方式不同。在漏源之间施加正漏极极性的电压Vds，并在栅源之间施加正栅极极性的电压Vgs。当施加的电压使电子被吸引到栅绝缘膜下的p型层时，会形成一个反转层。具体来说，p型层的一部分转变为n型区域。这个反转层形成了从漏极到源极的n型导电通道，从而以低电阻运行。施加的Vds决定漏电流，以及负载。然而，MOSFET的应用范围受限于某些应用中规定的电压水平，特别是在高电流的高压应用中。

 

IGBT（绝缘栅双极晶体管）

 

IGBT结合了BJT和MOSFET的优点，形成了单一设备。输入本质上是一个电压控制的MOSFET栅极，具有高输入阻抗。

 

设计中BJT部分的输出级提供非常高的功率增益和输出电流流动。最常见的IGBT类型是击穿型(PT)和非击穿型(NPT)。最近，开发人员还引入了技术增强，如场停止(FS)、沟槽栅和集成二极管(也称为FRD)，以在同一封装中提供正向和反向偏置操作。

 

图3显示了FS沟槽栅IGBT的截面。IGBT的工作类似于MOSFET，其Rbe值(见图4)被设置为使IGBT不导通。向N通道MOSFET的栅极施加“开启”信号会引入导通状态。

图3

 

然后电流从发射极流向IGBT第二阶段的PNP晶体管的基极。基极电流降低了MOSFET的“开启”电阻。

 

IGBT的工作原理与MOSFET非常相似。从发射极到栅极施加正电压会导致电子流向栅极。

 

一旦电压达到或超过阈值电压，电子将流向栅极形成导电通道，从而允许电流从集电极流向发射极。当电子从发射极流向集电极时，衬底中的正离子被吸引向漂移区。

图4

 

IGBT通常用于易于驱动的软开关电路应用，如家用电器和感应加热，这些应用的电压范围为600伏至1800伏，或在硬开关应用中，如600伏的一般逆变器。在前者中，IGBT提供了低开关损耗的优势，而在后者中，IGBT提供了所需的高击穿能力。

 

MOSFET与IGBT的对比

 

在三种半导体开关器件之间通常需要考虑许多权衡，MOSFET和IGBT通常是支持高电压和高电流设计的赢家。IGBT被认为是MOSFET栅极和BJT电流输出优点的最佳结合，但在一些领域MOSFET表现更优。具体来说，由于IGBT是少数载流子器件，双极部分中电子的运动导致尾电流，减慢了设备关闭速度。这限制了IGBT的开关频率，因此在高频应用中，功率MOSFET是更好的选择。MOSFET的开关频率受到电子在漂移区的传播和充电输入栅极及米勒电容所需时间的限制。

 

IGBT相比于功率MOSFET和BJT具有优势。它具有非常低的“开启”状态电压降和更好的“开启”状态电流密度。这使得其设计可以更小，从而有可能降低生产成本。驱动IGBT非常简单，所需功率较低。在高电压和高电流应用中，相较于由电流控制的BJT，控制IGBT电压驱动输入更加容易。IGBT的导通、正向阻断和反向阻断能力优于BJT。

 

IGBT的FS结构具有高温Vce_sat，即使在并联工作时也能更容易平衡集电电流。Vce_sat特性意味着当集电电流正向流动时会产生电压降。MOSFET的小电压降在低电流应用中占优势，而IGBT在高电流应用中优于MOSFET。低电压MOSFET的“开启”电阻远低于IGBT。这些因素使得MOSFET在大约100 kHz且低电流密度下的开关电源及其他应用中理想。而IGBT则是在高电流密度下低于20 kHz的交流驱动中优越的解决方案。由于IGBT的输入电容约为相同额定值MOSFET的1/10，因此在较低工作频率下更容易驱动IGBT。与这些操作差异相关的是效率问题。

 

热量与功率

 

MOSFET的正向特性强烈依赖于温度，这在温度升高时造成IGBT和MOSFET性能的差异。功率MOSFET具有结温限制，必须密切注意数据表中规定的最大结温。

 

MOSFET通常需要附近有散热器以散发热量。这会增加额外费用，并要求额外的板空间和设计组件，即使将散热器视为热阻和电容的网络。IGBT在热效率上更高，不需要散热器。

 

然而，IGBT可能会因长时间的功率脉冲和热传导条件受到损坏。如果在栅区域形成热点，过多的电流集中可能导致热点内及周围的单元失去栅极控制，开启BJT并最终损坏设备。

 

能量与效率

 

IGBT的配置随着沟槽栅场停止(TGFS)技术的演变和改进而发展。在IGBT中植入反向发射极和场停止，可以更好地控制动态行为。Vce_sat与Eoff的权衡曲线也通过沟槽结构得到了增强。

 

这允许更薄的芯片，从而增加了单元密度。这导致更低的导通和开关损耗、显著提高的稳健性和显著降低的热阻。热阻是MOSFET的长期限制。

 

IGBT具有优越的效率和较低的可听噪声。它可以针对低导通和低开关损耗进行优化。IGBT中的损耗主要来自开关损耗，这远低于MOSFET的损耗。在IGBT中，开启能量Eon是一个贡献因素，但关闭能量Eoff是主导因素。如果IGBT中存在二极管，则其开关损耗也必须计入总能量损耗。

 

将IGBT投入应用

 

尽管与上述三种组件的设计可能存在一些相似性，但现在是时候审视一些以IGBT作为电力开关的设计。以下应用旨在展示IGBT的高电压和高电流特性。

图5

 

图5是一个电动机驱动电路。这里，IGBT切换逆变器电路，实现直流到交流的转换，以驱动电动机。在家电、工业和汽车电动机中使用IGBT有助于提高其效率。

 

图6展示了一个UPS电路。IGBT在中型到大容量UPS模型中使用频繁。该应用的工作容量为几千VA或更高，IGBT在整体UPS单元中的应用提高了效率并节省了空间。

图6

 

图7包含两个感应加热电路的图示。在一个中，感应加热依赖于LC谐振实现零电压开关。在另一个中，它依赖LC谐振实现零电流开关。这两种情况都旨在减少开关损耗。这些感应加热应用分别具有高谐振电压或高谐振电流，使IGBT成为理想的开关选择。这两个电路的例子可以在感应炉、感应电饭煲或微波炉中找到。

图7

 

经验法则

 

在比较和了解各种半导体开关器件后，一些通用的经验法则可以帮助总结它们的差异。从根本上讲，IGBT适用于击穿电压大于400伏的情况，而MOSFET适用于击穿电压小于250伏的情况。MOSFET在更高频率的应用中表现优越。

 

IGBT在以下方面提供了相较于MOSFET的改进性能：

 

· 能够承受过载

· 并联电流能力

· 更平滑的关闭和开启波形

· 减少电磁干扰(EMI)

· 更低的“开启”状态导电损失和开关损耗

· 更低的热阻

· 如果需要的话，最小的抑制器

 

在为特定应用选择IGBT时，必须密切考虑其稳健性、热容量、开关频率和二极管性能。由于设备参数会引入独特的功率损耗，因此效率会根据应用有所权衡。

 

IGBT的优势

 

如本文所示，IGBT相较于其他电力开关组件(包括MOSFET)具有许多优势。在大多数供电电压超过300伏的应用中，使用IGBT及其固有的低电压降将提高效率，特别是在高温下操作时。这减少了散热器的需求，并简化了热设计。由于半导体电流路径较短且具有更高的电流密度，IGBT的热阻降低。

 

IGBT特别适用于频率约为100 kHz或更低的高电压和高电流系统。这是因为IGBT具有比类似额定MOSFET更低的开关损耗和导通损耗。过载耐久性得到改善，并且在IGBT应用中需要更小的或不需要抑制器。IGBT切换时的波形更柔和，从而导致应用中较低的电磁干扰。

 

IGBT技术已经成熟且经过验证，具有巨大的未来潜力。IGBT的损耗主要由导电损耗主导，但它们在边际较高的Vce_sat和显著降低的Eoff下仍能表现良好。