IGBT與MOSFET分析、選型、應(yīng)用
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的開關(guān)速度比較低，MOSFET開關(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的開關(guān)頻率下使用，此時(shí)它們比單極性MOSFET具有更高的開關(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
MOSFET特別適合高頻開關(guān)應(yīng)用
作為電源開關(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_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關(guān)速度要求高的應(yīng)用。在開關(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。
IGBT適合高壓大電流應(yīng)用
與MOSFET相比，IGBT開關(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) 、開關(guān)電源 (SMPS) 等開關(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。
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