我們來(lái)詳細(xì)比較一下IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)這兩種功率半導(dǎo)體器件的核心區(qū)別?它們都是電壓控制型開(kāi)關(guān)器件,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的差異導(dǎo)致了顯著不同的性能特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景?
核心區(qū)別總結(jié):
- 結(jié)構(gòu)差異:
MOSFET: 本質(zhì)上是單極型器件(多數(shù)載流子導(dǎo)電)?基本結(jié)構(gòu)是柵極?源極?漏極?電流在源極和漏極之間的N溝道(或P溝道)中流動(dòng),由柵極電壓控制溝道的形成與消失?
IGBT: 本質(zhì)上是雙極型器件(多數(shù)載流子+少數(shù)載流子共同導(dǎo)電)?可以看作是在MOSFET的漏極端(對(duì)于N溝道MOSFET)增加了一個(gè)P+層(集電極),從而在內(nèi)部集成了一個(gè)PNP型雙極結(jié)型晶體管(BJT)?因此,IGBT有柵極?發(fā)射極(對(duì)應(yīng)MOSFET源極)?集電極?
- 導(dǎo)通機(jī)制與壓降:
MOSFET: 導(dǎo)通時(shí),電流主要由多數(shù)載流子(N溝道中是電子)從源極流到漏極?其導(dǎo)通電阻(Rds(on))是決定導(dǎo)通壓降(Vds(on))的關(guān)鍵因素?在高壓(>200V)應(yīng)用中,Rds(on)會(huì)顯著增大,導(dǎo)致導(dǎo)通損耗急劇上升? 這是MOSFET在高壓大電流應(yīng)用中的主要瓶頸?
IGBT: 導(dǎo)通時(shí),MOSFET部分首先導(dǎo)通,為內(nèi)部的PNP晶體管提供基極電流,使其導(dǎo)通?PNP晶體管的導(dǎo)通引入了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng):注入的少數(shù)載流子(空穴)顯著增加了漂移區(qū)的載流子濃度,從而大幅降低了漂移區(qū)的電阻?這使得IGBT在高壓(600V以上)大電流下具有比MOSFET低得多的導(dǎo)通壓降(Vce(sat)),顯著降低了導(dǎo)通損耗?
- 開(kāi)關(guān)速度與損耗:
MOSFET: 單極器件,開(kāi)關(guān)過(guò)程僅涉及多數(shù)載流子的注入和抽出,開(kāi)關(guān)速度極快(納秒級(jí))?開(kāi)關(guān)損耗(開(kāi)通損耗Eon和關(guān)斷損耗Eoff)通常較低,尤其適合高頻應(yīng)用(幾十kHz到MHz)?
IGBT: 雙極器件,開(kāi)關(guān)過(guò)程中涉及少數(shù)載流子的注入?存儲(chǔ)和復(fù)合?開(kāi)關(guān)速度相對(duì)較慢(微秒級(jí)),尤其是關(guān)斷時(shí)存在一個(gè)“拖尾電流”現(xiàn)象(Tail Current),這是由存儲(chǔ)的少數(shù)載流子復(fù)合造成的?這導(dǎo)致了更高的開(kāi)關(guān)損耗(Eon, Eoff),限制了其工作頻率(通常低于100kHz,現(xiàn)代IGBT可達(dá)幾十kHz)?
- 安全工作區(qū):
MOSFET: 具有較寬的正向偏置安全工作區(qū),沒(méi)有二次擊穿問(wèn)題(因?yàn)閱螛O特性)?其電流處理能力主要受導(dǎo)通電阻和封裝熱阻限制?
IGBT: 存在掣住效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)?當(dāng)流過(guò)寄生晶閘管(由內(nèi)部的PNP和寄生NPN晶體管構(gòu)成)的電流過(guò)大時(shí),可能觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通并鎖死,導(dǎo)致柵極失去控制,器件損壞?設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載條件以避免掣住?其安全工作區(qū)受掣住效應(yīng)和熱限制約束?
- 溫度特性:
MOSFET: 導(dǎo)通電阻 Rds(on) 具有正溫度系數(shù)?溫度升高,Rds(on)增大,限制了電流的進(jìn)一步增加,有利于器件并聯(lián)時(shí)的均流?
IGBT: 導(dǎo)通壓降 Vce(sat) 通常具有負(fù)溫度系數(shù)(尤其是在低電流密度時(shí))?溫度升高,Vce(sat) 略有下降?這意味著在并聯(lián)應(yīng)用時(shí),電流可能向溫度更高的器件集中,需要更精心的熱設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)匹配來(lái)確保均流?
- 電壓與電流能力:
MOSFET: 低壓(<200V)性能優(yōu)異,導(dǎo)通電阻低,開(kāi)關(guān)速度快?高壓(>600V)型號(hào)雖然存在,但導(dǎo)通電阻顯著增加,成本高,效率低?電流能力受限于Rds(on)和封裝?
IGBT: 專為高壓(600V 6500V+)大電流應(yīng)用而優(yōu)化?利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),在高壓下能實(shí)現(xiàn)比同等級(jí)MOSFET低得多的導(dǎo)通壓降,電流處理能力更強(qiáng)(可達(dá)數(shù)千安培)?
應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比:
| 特性 | MOSFET | IGBT |
| 核心優(yōu)勢(shì) | 超高速開(kāi)關(guān)?低壓低阻?高頻低開(kāi)關(guān)損耗 | 高壓低導(dǎo)通壓降?大電流能力 |
| 典型電壓 | < 200V (最優(yōu)), 可達(dá) 1000V+ | > 600V (主流), 可達(dá) 6500V+ |
| 典型頻率 | 高頻 (幾十kHz MHz) | 中低頻 (幾kHz 幾十kHz) |
| 損耗側(cè)重 | 開(kāi)關(guān)損耗低 (高頻時(shí)主導(dǎo)) | 導(dǎo)通損耗低 (高壓大電流時(shí)主導(dǎo)) |
| 關(guān)鍵限制 | 高壓下導(dǎo)通損耗劇增 | 開(kāi)關(guān)速度慢,開(kāi)關(guān)損耗高,存在掣住風(fēng)險(xiǎn) |
| 典型應(yīng)用 | DCDC開(kāi)關(guān)電源 (尤其低壓側(cè)) <br> 電池保護(hù)板 <br> 低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng) (如無(wú)人機(jī), 電動(dòng)工具) <br> 高頻逆變器 (如太陽(yáng)能微逆) <br> 筆記本電腦/手機(jī)充電器 | 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng) (變頻器) <br> 大功率開(kāi)關(guān)電源 (PFC, 主變) <br> 不間斷電源 (UPS) <br> 感應(yīng)加熱 <br> 新能源發(fā)電逆變器 (光伏, 風(fēng)電) <br> 電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器 <br> 電焊機(jī) |
總結(jié):
MOSFET 是速度之王,在中低壓?高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用中(如開(kāi)關(guān)電源?低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng))效率極高?其高壓型號(hào)在導(dǎo)通損耗上難以匹敵IGBT?
IGBT 是高壓重載之王,在高電壓?大電流?開(kāi)關(guān)頻率要求相對(duì)不高的應(yīng)用中(如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)?新能源逆變器?電動(dòng)汽車主驅(qū))憑借超低的導(dǎo)通壓降實(shí)現(xiàn)更高的整體效率?其代價(jià)是開(kāi)關(guān)速度慢和開(kāi)關(guān)損耗較高?
簡(jiǎn)而言之:需要高頻開(kāi)關(guān)?選MOSFET(尤其是在中低壓下)?需要承受高壓大電流?選IGBT(尤其是在頻率要求不苛刻時(shí))? 兩者在功率電子領(lǐng)域是互補(bǔ)關(guān)系,共同覆蓋了從低功率到超高功率?從低電壓到超高電壓?從低頻率到高頻率的廣闊應(yīng)用需求?隨著技術(shù)的進(jìn)步(如SiC MOSFET?GaN HEMT),兩者在高頻高壓領(lǐng)域的界限也在逐漸模糊和演進(jìn)?
