罗姆半导体主流功率器件MOSFET和IGBT对比

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      电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率和低成本的发展方向,相应的功率器件也要求高频、高可靠、低损耗和低成本。
      目前主流的功率器件主要是MOSFET和IGBT。
      日前,日本ROHM公司在中国举办发布会,发布业界最快trr性能的600V超级结MOSFET PrestoMOS系列。罗姆半导体(上海)有限公司设计中心高级经理水原德健对MOSFET和IGBT做了市场优劣势分析:
       MOSFET优点是高频,可以工作到几百KHZ,甚至MHZ、10MHZ都没问题;缺点是不耐高压,在高压大电流场合功耗较大,1500W以上就没有优势了。IGBT优点是导通压降小,耐高压.功率可以达到5000W;弱点是开关频率最大40—50KHz,开关损耗大。

        MOSFET一般在较低功率应用及较高频应用(即功率)
        罗姆的高耐压超级结MOSFET
       功率元器件一般是由硅、碳化硅、氮化镓这三种材料做成,碳化硅和氮化镓是相对新的功率器件材料。而本次发布会介绍的产品——超级结MOSFET和PrestoMOS,是硅材料产品。
       高压MOS在市场上应用很多,每个厂家对“高压MOS”定义不同,有的说200V以上是高压MOS,但比较普遍的认为是,500-600V以上的是高压MOS。市场上用的最多的高压MOS也是600V,大概占到所有高压MOS的三分之二。

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       600V里又分为三类:600V标准型,大约占整个市场的三分之一左右;600V高速开关型,占三分之一左右;600V高速trr型,大约在市场上占7%。
       从应用上,标准型和高速开关型主要是用在电源变压器上,高速trr产品主要应用在逆变上,600V之上有650V和800V的产品,主要在太阳能、电动汽车使用。再往上还有1200V和1500V的产品。
       高压MOS从构造上分为两种,平面高压MOS,和纵向纵沟槽型高压MOS,也就是超级结MOSFET。
       从2014年到2020年,MOS的整体需求量变化不大,但在需求结构上变化很大,平面MOS市场越来越变小,超级结MOSFET市场越来越大。
      为什么会出现这样的变化呢?原因在于,客户在选择产品时有两个考量:性能和价格。性能上超级结MOS更节能;价格上第0代超级结MOS价格大约是平面MOS的接近2倍;第1代大约是1.5倍;现在超级结MOSFET已经进入第2代,将要与平面MOS的价格持平。
      未来,超级结MOSFET还会推出第3代、第4代,芯片可以做的越来越小,比平面MOS来说价格有更大的优势,性能也有更大的增强,这就决定了平面MOS的市场会越来越小。
      在这里还要提到罗姆的一个独特产品,HybridMOS。什么是HybridMOS呢?刚刚已经介绍了IGBT和MOSFET的区别,IGBT是在大功率情况下节能,MOSFET是在低功率情况下节能。这就出现了一个问题。比如空调在正常运转的时候功率很低,也就1000W左右。但在刚启动时,要瞬间制冷、瞬间制热,会达到4000到6000W,中央空调会达到8000W。
       同样一个产品,在低功率的时候也想让它节能,高功率的时候也想让它节能。但又不可能一个产品中同时用IGBT和MOSFET,如果用MOSFET在低功率时是节能的,但是在瞬间开始进行加热、制冷的时候又不是很节能。IGBT瞬间制冷,加热是很节能,但是正常运转的时候又很浪费能量,这是一个很烦恼的事情。
      这个情况下,罗姆开发了HybridMOS。在低功率的时候我们采用了MOSFET的构造,在大功率的时候采用IGBT的优点。不管是瞬间制冷,瞬间制热,还是正常运转的时候,都使能量消耗更低。
      由于同时拥有MOSFET构造,又拥有IGBT的特性,所以罗姆为该产品起名HybroidMOS,混合动力的意思。
      业界最快trr性能的PrestoMOS
      在介绍本次发布会主角之前,罗姆先介绍了MOS有三个最主要的特性,一个是导通电路,第二个是QG参数,这两个参数都是越小产品越节能,第三个特性是体二极管的trr特性,无论怎么开发,MOS都重点要改变这几个特性。
       罗姆第一代PrestoMOS主要改变了体二极管的trr特性。 MOSFET是一个半导体,从ON到OFF的时候会出现一个反向特性。正常来说的话,因为是半导体,有一个反向的恢复时间和反向的恢复电流。反向的恢复时间(trr)乘以反向的恢复电路,这就是开关造成的开关损耗,开关的损耗越小,整体就越节能。罗姆在第一代产品最主要改变了trr的特性。
       PrestoMOS在电路上最大的应用是开关,解决了两个迫切的节能化需求:第一个特性是高速开关,在ON/OFF时能实现很快的切换;第二个特性是,在ON的时候导通电流更小一些,这样使它在ON的时候更节能。

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      这张图解释了PrestoMOS在功率器件的位置。功率晶体管里有功率MOS,功率MOS里有超级结MOSFET,超级结里面有PrestoMOS。
      罗姆第二代PrestoMOS产品在提高trr速度的情况下,又改变了MOSFET的两个重要特性。
      第一个,通过PN结构的微细化使开关速度更快一些,罗姆实现了高速开关。
      第二个,把电流浓度变得更高,电流浓度变更高的情况下导通电阻可以降低。首先,把PN结构之间的间距变得更小;其次,把N极的电流浓度变得更大。通过改变了这两个的新的构造,使产品的导通电阻更低,开关速度更快。

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从效果上来看,和原有的第一代产品相比,第二代产品的开关速度Qg参数降低了70%,导通电阻降低了40%。体二极管的trr特性降低了20%。
      所以第二代的PrestoMOS产品,是个开关损耗、导通损耗和trr损耗都是很小的产品。
      PrestoMOS的封装有两大类,贴片式和直插式。

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      应用领域上,一个是家电的逆变应用,也就是我们说的变频电路上的比较多。中国市场上变频的产品越来越多,包括变频空调、变频冰箱、变频洗衣机;在工业上,包括电机、充电站、充电桩上也会用到很多。PrestoMOS产品将能满足中国市场很大的需求。
高应变能力的设计和生产能力
      所有的半导体元器件产品都会有两个主要工程。一个是生产前工程,一个是生产后工程。
       所有的半导体元器件产品都会有两个主要工程。一个是生产前工程,一个是生产后工程。

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       同样的产品为什么在两个或两个以上的地方进行生产呢?看起来很浪费资源。其实这是为了应对在遭遇极端灾害时,仍然能保证为客户稳定供货。
       在2011年3.11日本地震、泰国水灾,2009年经济危机,2011年又出现洪水,在几年内对半导体市场造成沉重冲击,供应链很不稳定。试想泰国水灾时,只在泰国一地工厂生产的产品,给客户的生产带来很大的麻烦。产品生产不出来;生产出来的产品运不出去。
       因为没有替代产品、替代工厂,给客户带来很大的麻烦。在这之后,罗姆为了把风险降到最低,不论任何产品都在两个或两个以上的地方来进行同时生产。无论任何一个地方出现了不可抗拒的事情,罗姆都会在同一时间内,从另外一个工厂生产相同的产品给客户,不会给客户带来生产上的麻烦。

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