FET与BJT与IGBT：您的功率级设计的正确选择是什么？

寒冬冰霜 · 发表于 2019-2-19 21:53:01

本文将帮助您了解不同类型的功率半导体：它们如何工作，它们的关键参数和权衡。

主要类型的高功率半导体的应用领域存在相当大的重叠。那么设计人员如何确定是否在他/她的应用的功率级中使用BJT或MOSFET？或者设计师应该使用IGBT吗？晶闸管怎么样？他们会在设计中工作吗？他们会更好吗？

所以有几种选择，但哪种选择最好？

答案是：“这取决于。”我知道，这不是一个非常翔实或令人满意的回应。但它仍然有效，因为选择真正取决于项目的各种因素和方面。例如，应用领域（电机控制，电源，音频放大器等）将影响您的选择，以及负载功率调制技术（例如，线性，开关，静态等）和工作频率。您需要首先明确定义您的设计标准和方法，然后您可以开始评估各种可用功率半导体的优势和权衡。

通道，连接点 - 功能是什么？

渠道或交叉点？多少？什么类型？内部器件几何结构和构造的这些和其他方面可能是观察功率半导体的一种方式，因为它们对于不同类型的固态功率器件确实是不同的。但是这种方法可能会让我们远离真正的观点，即控制器件如何控制负载电流。

请记住，以受控方式改变通过负载的电流是任何功率半导体器件的主要功能（如果您愿意的话，存在存在的理由）。您有一个负载，您希望通过该负载驱动电流，并且该电流的状态（完全接通，完全断开或在某个预定的中间水平）是传递到功率半导体器件的控制端子的信号的函数。。

有几个注意事项可以引导您选择功率晶体管技术。其中包括您的特定负载所需的电流大小，为实现该电流而在负载上施加的所需电压，以及所需的最大电流变化率（dI / dt）和电压（dV / dt）。

简而言之，有三个关键性能参数可帮助我们了解哪种功率晶体管技术最适合您的功率级设计：最大工作电压，最大工作电流和最大开关频率。

耗电负荷的半导体菜单

当然，您已经定义了负载的关键功率参数：

· 最大电压和电流

· 最大操作频率

· 负载的无功参数（负载电感和负载电容）

· 负载的直流特性（甚至是潜在的故障特性）

充分定义负载特性意味着您已准备好探索驱动负载的选项菜单。

主题列表不仅包括流行的大功率晶体管，如MOSFET，BJT和IGBT，还包括三端双向可控硅和SCR等更奇特的晶闸管（适用于仅限AC或脉动直流饮食的限制性口味，我们将在未来讨论文章）。

当然，还有超快速和肖特基整流器等必备的配菜（如果没有它们，没有电源设计是完整的，但这也是未来的一篇文章）。仔细阅读这个固态三端子大功率设备菜单，你会发现每个设备都以不同的方式控制负载。
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BJT

BJT根据其基极驱动电流乘以其当前增益（h FE）改变其输出电流（此处定义为从发射极到集电极流过器件的电流，反之亦然）。因此，BJT通常被描述为电流控制设备。

MOSFET

相反，MOSFET被描述为压控器件，因为其输出电流随施加到其栅极的小电压而变化。功能上发生的是栅极的静电场撞击并影响器件的源极 - 漏极沟道的电阻（因此称为“场效应晶体管”）。

IGBT

IGBT也可以被认为是电压控制器件，因为其输出电流也是施加到其栅极的小电压的函数。然而，它在功能上有所不同，因为该控制信号电压调制沟道电阻，这又改变了可用于将电流从发射极端子传送到集电极端子的电流载流子（电子和空穴）的数量。

所有三种类型的功率晶体管都具有增益，因此可以用作放大器和开关。我们的菜单上的第四项，即晶闸管，只能用作闭锁开关：一旦触发，将保持开启直到通过器件的电流从外部减小到接近零的器件。这将晶闸管限制在负载由交流或脉动直流电源供电的应用中（其中所施加的电流将在每个周期下降到零并且换向 - 即，关闭或重置晶闸管）。

目前，我们将专注于三种功率晶体管类型，并将晶闸管应用留在另一篇文章中。

技术比较与权衡

现在我已经激起了你的兴趣，让我们更深入地研究这三种功率晶体管类型。我们将通过将我们的比较与它们作为高功率开关晶体管的使用进行限制来集中精力。这是适当的，因为大多数现代电源电路应用，甚至音频，都使用脉冲宽度调制（PWM）来控制进入负载的功率，无论是变压器，电感器，电机绕组，LED，灯，电阻器，还是扬声器。这是因为PWM本质上比负载的线性控制/调节更有效。

因此，从这个焦点来看，我们还需要关注功率晶体管的开关速度性能，而不仅仅是电压和电流处理能力。
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设计用作高功率晶体管的双极结型晶体管将表现出相当适度的电流增益（h FE在单位数到低位两位数范围内）。虽然它能够作为RF放大器工作，但在开关应用中提供显着的基极驱动电流的复杂性通常将使用限制在100kHz或更低。在这个开关速度范围内，有BJT可以有效地处理数十安培，同时可以承受几百到一千伏或更高的电压。在与其他两种功率晶体管技术的比较方面，我们可以将BJT视为高压但低电流的器件。

相反，设计用作高功率晶体管的MOSFET通常是高电流但低电压的器件。开关频率高达500 kHz是可行的，有些MOSFET可以承载几百安培，但它们通常限于远低于100V的电压。MOSFET的一个显着优点是驱动栅极所需的电路非常简单且功耗低。

有趣的是，IGBT专门开发为功率晶体管，旨在将高电流和高电压相结合。在这个角色中，他们已经在许多高功率应用中取代了BJT和MOSFET（以及晶闸管）。这项技术中有相当令人印象深刻的设备可以处理高于1000A的电流，同时切换数千伏电压！它们确实有局限性，但转换速度很快。这些器件的制造商不断努力提高开关速度（特别是通过减少下降时间），并且在IGBT首次商业化推出以来的几十年中，开关速度几乎增加了两倍。然而，高功率IGBT功率级设计的实际开关速度很少超过50 kHz。

比较功率晶体管的关键参数如下表所示：
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除了评估这些关键参数外，在查看和比较功率晶体管数据表时，还应考虑负载的无功和故障行为。例如，如果受到短于超过其额定短路耐受时间（t SC）的短路电流，IGBT可能会闩锁（如晶闸管）。并且感性负载会产生大的电压尖峰，可能超过BJT的击穿电压，或者超过MOSFET体二极管（E AS）的雪崩能量容量。

功率晶体管应用的三个维度

我们已经讨论了三个关键性能参数，这些参数有助于我们了解哪种功率晶体管技术最适合您的功率级设计。重申一下，这些是最大工作电压，最大工作电流和最大开关频率。

这些和其他数据表参数为设计人员提供了做出周密设计决策所需的技术信息。但是，设计人员通常也想知道这些设备如何在商业/工业市场应用中得到普遍使用，因为这可以深入了解其他设计人员如何评估性能和成本权衡。
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该图说明了三维功率晶体管应用空间。图的每个轴代表三个关键性能参数中的一个，并且每个功率晶体管技术由不同的颜色箭头表示。

例如，在图表的顶部，您将注意到代表小型电动车辆应用的条形图（例如，高尔夫球车，电动叉车）。其中的电机控制器通常在48V至72V的电压和高达几百安培的电流下工作，并且它们通常利用MOSFET以大约20kHz的频率PWM（电动机高于人类听觉）。

作为一个警告，驱动此图表的数据被恰当地视为轶事，因为它来自我自己的个人观察。我提供它是为了与业界广泛的客户和应用程序分享我在业内四十年的见解。

结论

在选择下一代高功率设计中使用的功率晶体管类型时，您现在应该已经清楚了解您的选择以及从哪里开始。请留意以后有关相关主题的文章。