MOSFET与IGBT究竟孰胜孰负?

标签:MOSFETIGBT
分享到:

       前阵子提到了IGBT的优势及发展,之后当然不能少了双子星的另一位——MOSFET了。随着 MOSFET 和 IGBT 之间选择的激增,当今的设计人员越来越难以为其应用选择最佳设备。 究竟何时何用该选择哪一个呢,切勿操之过急,仔细往下看你就能懂了。

 

       设备演进:双极晶体管、MOSFET 和 IGBT

 

       在20世纪70年代MOSFET出现之前,双极晶体管是唯一的"真正的"功率晶体管。双极晶体管需要高基电流才能打开,具有相对较慢的关断特性(称为电流尾),并且由于负温度共效率而导致热失控。此外,可实现的最低状态电压或传导损耗由收集器-发射体饱和电压 VCE(SAT)控制。 

 

       然而,MOSFET 是一种电压控制而不是电流控制的器件。MOSFET 具有正温度系数,可阻止热失控。状态电阻没有理论限制,因此状态损失可能低得多。  MOSFET 还配有车身排水二极管,在处理有限的自由轮流时特别有用。

 

       所有这些优势和当前尾部的比较消除很快意味着MOSFET成为电源开关设计的首选设备。

       然后在20世纪80年代,IGBT应运而生。IGBT是双极晶体管和MOSFET晶体管之间的交叉点(见图1)。

 

       IGBT 具有双极晶体管的输出开关和传导特性,但电压控制类似于 MOSFET。一般来说,这意味着它具有双极性高电流处理能力的优点,易于控制MOSFET。然而,IGBT仍然具有电流尾较大和没有车身排水二极管的缺点。

 

       IGBT的早期版本也容易锁定,但现在,这是非常好的消除。一些IGBT类型的另一个潜在问题是负温度共效率,这可能导致热失控,使器件的并行难以有效实现。这一问题目前正在以"非突破"(NPT)技术为基础的最新几代IGBT中得到解决。该技术具有相同的基本IGBT结构(见图1),但基于散装扩散硅,而不是IGBT和MOSFET历来使用过的外延材料。

 

1

2

 

       MOSFET 和 IGBT:相似但不同

 

       在比较图一和图二时,MOSFET和IGBT结构看起来非常类似。基本区别是在 n 基板下添加 p 基板。IGBT 技术无疑是 1000V 以上故障电压的首选器件,而 MOSFET 无疑是 250V 以下器件击穿电压的首选器件。

 

       在 250 到 1000V 之间,这些设备的制造商提供了许多技术文件,有些更喜欢 MOSFET,有些则喜欢 IGBT。但是,在 IGBT 和 MOSFET 之间进行选择非常特定于应用,所有成本、尺寸、速度和热要求都应考虑。

 

3

 

       图3中 MOSFET 和 IGBT 是首选,不包括输出功率。图3还显示了一些边界,其中相当清楚的是什么首选,MOSFET 或 IGBT,具体细节将在下面进一步详细。作为一般准则,这是一个很好的起点。

 

       在以下情况下,IGBT 一直是首选设备:

  • 低占空比
  • 低频(<20kHz)
  • 窄线或小线或负载变化
  • 高压应用(>1000V)
  • 允许在高结温下工作(>100°C)
  • >5kW 输出功率

 

       典型的 IGBT 应用包括:

  • 电机控制:频率 <20kHz,短路/冲限保护
  • 不间断电源 (UPS):恒定负载,通常为低频
  • 焊接:高平均电流,低频(<50kHz),ZVS电路
  • 低功耗照明:低频(<100kHz)

 

       MOSFET 首选在:

  • 高频应用(>200kHz)
  • 宽线或负载变化
  • 工作周期长
  • 低压应用(<250V)
  • < 500W 输出功率

 

       典型的 MOSFET 应用包括:

  • 开关模式电源 (SMPS): 硬切换超过 200kHz
  • 开关模式电源 (SMPS): ZVS 低于 1000 瓦
  • 电池充电

 

        理论与现实——和"灰色区域"

 

       当然,没有什么比看起来那么容易了。许多应用程序中会发生权衡和重叠。本文的目的是检查交叉区域,包括运行电压超过 250 伏的应用,在功率级别超过 500 瓦时在 10 kHz 和 200kHz 之间切换。 在这种情况下,最终器件选择基于其他因素,如热阻抗、电路顶部学、传导性能和封装。图 3 中的零电压开关 (ZVS) 功率因数校正 (PFC) 电路属于 IGBT/MOSFET"交叉区域"的应用。

 

4

 

       图 4.典型的 ZVS PFC 电路。Q2 处的辅助开关用于复位升压二极管,以确保主开关 Q1 仅在零电压期间切换。与 Q1 并行的二极管仅与 IGBT 一起使用。

       硬开关测量清楚地显示MOSFET在其应用中损耗较低。  图5显示,如果开关速度降至50kHz,IGBT损耗与IRFP460损耗大致相等。 这将允许较小的IGBT在某些应用中取代较大的MOSFET。 这是1997年的情况。

 

5

 

       然而,现在可用的较新的低电荷MOSFET降低了高频损耗,因此重新肯定了MOSFET在50kHz以上硬开关应用中的主导地位。

 

6

 

       图6显示了在50kHz、500W下使用零电压开关的应用损耗,9.5W的IGBT损耗高于室温下7W的MOSFET损耗。 但是,当温度升高到工作条件时,MOSFET 的传导损耗上升速度比 IGBT 的开关损耗快。 高温度时的损耗增加60%,而IGBT的总损耗仅增加20%。 在 300 瓦时,功率几乎相等,而在 500 瓦时,优势属于 IGBT。

 

7

 

 

       图7显示134kHz、500W、高温下损失25.2W的IGBT损耗略小于MOSFET,总损耗为23.9W。 在同一应用中,室温损耗分别为17.8瓦和15.1瓦。 开关损耗较高,在高频率下,消除了IGBT在高频率下的优势。

 

       温度,在较低频率下切换时。 这说明了本文的主题,即没有铁包规则可用于确定哪种设备将在特定类型的电路中提供最佳性能。 根据确切的功率水平,考虑的设备,每种类型的晶体管的最新技术,结果将略有变化。

 

        结论

 

       在MOSFET和IGBT之间的战斗中,根据操作条件,任何一种器件都可以显示在同一电路中提供优势。 设计人员如何为其应用程序选择合适的设备?最好的方法是了解每个设备的相对性能。并且要知道,如果它看起来好得难以置信,它可能是真的。 需要记住的一些简单事项:

 

       测试数据、供应商声明或选择最大电流条件、最高温度的广告将有利于给定应用中的 IGBT。例如,当叉车在中午在沙漠中向上移动倾斜的斜坡时,提升其最大额定负载。

 

       在此特定应用中,IGBT 似乎是首选设备。 但是,如果考虑整个工作日的平均功耗,则最大扭矩仅为时间的 15%,电机的平均扭矩负载仅为额定扭矩的 25%。 在平均或典型条件下,MOSFET 提供最长的电池寿命,同时满足所有峰值性能水平,并且通常成本更低。

 

       数据选择开关频率最高、脉冲宽度最短或电流最低的应用,将倾向于使用MOSFET而不是IGBT。 例如,在室温下工作且额定负载和标称线路电压的电源将使 MOSFET 看起来优于 IGBT。相反,如果电源在最大外壳温度、最大负载和最小线路电压下运行,IGBT 将看起来更好。然而,实际绩效几乎从来不是在"名义条件下"。"环境温度、线路电压和负载的变化更为现实,应考虑。

 

       目前,一些最新的IGBT在1000瓦及以上的零电压开关PFC中具有竞争力的性能和成本优势,在100kHz及以上电压下运行。然而,在所有其他电源应用中,MOSFET 继续占据统治地位。

 

       最后,业界普遍认为MOSFET是一种成熟的产品,不会在应用中提供显著的性能改进,而IGBT是一种新技术,它将取代MOSFET的所有300伏以上的应用。 没有这种概括是永远真实的,MOSFET性能在过去两年中的巨大改进肯定证实MOSFET是一个非常动态的产品,并且继续快速增长的趋势。 事实上,新的低电荷MOSFET,如国际整流器IRFP460A和IRFP22N50A,在IGBT似乎为硬交换应用提供替代方案时,显著地移动了性能基准。

以下是有关IGBT和MOSFET的罗姆的新产品:

碳化硅功率器件:SCT3030AR

碳化硅功率器件:SCT3040KR

碳化硅功率器件:SCT3060AR

继续阅读
电子行业的“CPU”——IGBT

早在1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。之后的80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。紧接着90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT。在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。直到现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

高铁的IGBT究竟为何物

IGBT,是半导体器件的一种,主要用于电动车辆、铁路机车及动车组的交流电电动机的输出控制。传统的BJT导通电阻小,但是驱动电流大,而MOSFET的导通电阻大,却有着驱动电流小的优点。IGBT正是结合了这两者的优点:不仅驱动电流小,导通电阻也很低。这种晶体管结合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高电流单栅控制特性及双极性晶体管的低饱和电压的能力,在单一的IGBT器件里,会透过把一个隔离的场效应晶体管(FET)结合,作为其控制输入,并以双极性晶体管作开关。

SiC MOSFET:一种经济、可靠的大功率解决方案

碳化硅已被证明是高功率和高电压器件的理想材料。然而,设备的可靠性是极其重要的,我们指的不仅是短期的可靠性,而且是长期的可靠性。性能、成本和可制造性也是其他重要因素,但可靠性和耐用性是碳化硅成功的关键。

基于SPICE上的研究

SPICE是最为普遍的电路级模拟程序,各软件厂家提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本spice软件,其仿真核心大同小异,都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的spice模拟算法。Spice是一种功能强大的通用模拟电路仿真器,已经具有几十年的历史了,该程序主要用于集成电路的电路分析程序中,是用Fortran语言写成的,1975年推出正式实用化版本,1988年被定为美国国家工业标准,主要用于IC,模拟电路,数模混合电路,电源电路等电子系统的设计和仿真。

MOSFET与IGBT究竟孰胜孰负?

前阵子提到了IGBT的优势及发展,之后当然不能少了双子星的另一位——MOSFET了。随着 MOSFET 和 IGBT 之间选择的激增,当今的设计人员越来越难以为其应用选择最佳设备。 究竟何时何用该选择哪一个呢,切勿操之过急,仔细往下看你就能懂了。