發布日期：2022-10-09 點擊率：136
【導讀】兩個主要類型的功率晶體管：MOSFET和IGBT非常流行，它們在電源系統設計中已經使用了多年，因此，很容易假定它們之間的差異一直保持不變。本文通過解釋最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，使用戶能夠更好地了解最能滿足應用需求的最合適的器件類型，并解釋了目前的功率晶體管選擇的灰色區域。
大致來說，這個假定是正確的：MOSFET支持更快的開關速度和更高的效率，但不太耐用，并具有較低的最大額定電流。而IGBT的開關速度較慢，具有較高的開關損耗和傳導損耗，但它更耐用，并能處理更高的峰值電流和連續電流值。
選擇MOSFET或IGBT的一般規則是不變的，對于大多數應用來說，選擇哪種器件更合適是顯而易見的。但事實上，由于主要供應商，如意法半導體、安森美半導體和飛兆半導體等不斷的產品和技術開發，這兩種類型器件一直在不斷演變。
通過解釋最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，本文使用戶能夠更好地了解最能滿足應用需求的最合適的器件類型，并解釋了目前的功率晶體管選擇的灰色區域。
速度和效率
IGBT和MOSFET的發展在很大程度上旨在通過降低開關損耗和傳導損耗來提高開關速度和效率。
在雙極型晶體管中，該方法集中在改善其相對較慢的關斷特性，這會引起器件的較大“電流尾巴”。此外，IGBT的制造商致力于降低集電極-發射極飽和電壓VCE（sat），它決定了器件的通態電壓，即決定了導通損耗。
一些早期的IGBT類型的另一個問題是它們的負溫度系數，它可能導致熱失控：因此很難同時運行多個器件，無法提供高功率輸出。
以下三種技術的發展提供了這個問題的解決方案：第一，穿通型（PT）平面技術，第二，非穿通型（NPT）平面，第三，當今的IGBT溝槽柵場截至技術，如圖1所示。
圖1：平面型（左）和溝槽柵場截至型IGBT（右）的結構比較（來源：意法半導體）
這些晶片制造技術能夠使制造商不斷減小器件內硅的質量。其優點包括：
降低了單位成本，因為每個晶片可以切割成更多器件
實現了更快的開關速度
縮短了電流尾巴的長度，實現了更低的開關損耗
降低了集電極-發射極飽和電壓
功耗降低能夠實現功率密度的提高，因此，今天的IGBT可以處理比第一代IGBT高50％的平均電流。得益于最新的IGBT技術的器件如表1所示。
表1：最新系列IGBT提供低損耗和高開關速度
MOSFET技術：導通電阻越來越低
如IGBT一樣，MOSFET在過去二十年中經歷了許多演變。
在早期，MOSFET的結構是平面的：較新的MOSFET大大得益于溝槽柵技術以及垂直超級結的引入實現的巨大進步。在這些新技術中，柵極引腳更深地嵌入到硅材料的內部，從而能夠更好地利用現有的硅。
因此，即使平面器件仍然存在于市場上，溝槽技術已成為MOSFET的優選結構。
平面MOSFET還在使用的原因是，與溝槽柵MOSFET的比較表明，平面器件具有優異的正向偏置安全工作區（FBSOA）以及非嵌位感性開關（UIS）雪崩能力。但是，這些研究還顯示，溝槽MOSFET的體二極管的反向恢復性能（由反向電流密度表征）優于等效的平面MOSFET，如圖2所示。
圖2：平面MOSFET（FDB44N25）與采用溝槽柵技術的類似器件（FDB2710）在開啟（左）和關斷（右）反向恢復期間的性能比較。（來源：飛兆半導體）
這主要是因為與溝槽MOSFET相比，平面MOSFET的結構需要更多的硅材料、更大的厚度和更大的接觸面。
這意味著，選擇針對特定應用的MOSFET時，系統設計人員應特別注意：
其電路的寄生參數
操作環境的熱特性
他們所選擇的MOSFET技術的相對耐用性和脆弱性
需要考慮的最重要的寄生參數是兩個雜散電感。
第一個是串聯到源極引腳的電感。該電感存在于柵極驅動控制回路中，并作為一種反饋，可減緩柵極驅動信號。設計者需要注意不要超過柵-源最大電壓額定值。
第二個電感是串聯到漏極引腳的電感。如果未嵌位，當器件關斷時它會導致一個過壓尖峰。可以使用緩沖器或嵌位器件來最小化這種影響。此外，在開啟時，這個電感的另一影響是漏極電壓下降，使米勒電容放電，導致柵極驅動器吸收更多的電流，實現較慢的整體換向過渡沿，如圖3所示。
圖3：源極雜散電感在開啟時的影響
為了減小這些影響，必須盡量降低雜散電路電感。
尋找MOSFET和IGBT應用之間的邊界
如上所示，IGBT和MOSFET的特性使得它們的選擇在大多數應用中都很簡單。但在特性交叉處，兩種器件類型都有其優缺點，使選擇變得不太容易。基于碳化硅（SiC）技術的MOSFET的發展使選擇進一步復雜，因為它們提供了比硅MOSFET更高的性能（更快的開關速度、更低的損耗），但單位成本顯著更高。今天，在上述的IGBT和MOSFET技術的許多演變后，這種交叉涉及到工作電壓高于250V、開關頻率在10kHz和200kHz之間，并且功率超過500W的應用，如圖4和5所示。
圖4：MOSFET和IGBT的功能優勢點
圖5：IGBT和MOSFET的典型效率&電流積
MOSFET的結構包括一個二極管，非常適用于處理續流電流。在電壓低于200V 的MOSFET中，如意法半導體的STM F7系列、飛兆半導體的Power Trench系列、恩智浦半導體的PowerMOS Trench 9 和Trench系列，以及Vishay的第四代系列，它們集成的二極管開關速度非常快。為了實現與IGBT相同的功能，設計者必須指定一個“共同封裝IGBT”- 即在單個封裝里集成分立式快速二極管和IGBT，這是比標準MOSFET更大、更昂貴的解決方案。
在工作電壓高于500V的應用中，選擇變得更加復雜：因為超級結（SJ）MOSFET的開發針對工作電壓超過500V的高壓系統，如意法半導體的MDmesh II、MDmesh V、FDmesh II和SuperMESH 5系列，飛兆半導體的SuperFet II、Easy Drive、Fast和Fast Recovery (FRFET)系列，以及Vishay的E和EF系列。與普通MOSFET相比，SJ MOSFET能在更高電壓范圍內用作“共同封裝IGBT”的替代產品。問題是，SJ MOSFET的內部體二極管本質上比IGBT的普通FRED共同封裝超快二極管慢。
在必要時，例如在半橋相移拓撲結構中，可以選擇包括相對較快的體二極管的特殊SJ MOSFET。每個大型MOSFET制造商都提供了這些特殊的高速SJ MOSFET，如意法半導體的FDmesh II或飛兆半導體的SuperFET II系列，但即使是這些器件，也永遠無法與標準IGBT中的超快二極管一樣快。
在高電壓下，SJ MOSFET適用于相對較低的功率輸出。當工作于600V以上并產生高功率輸出時，IGBT仍然是唯一的選擇。這是因為IGBT的飽和電壓在整個電流范圍內幾乎是恒定的，而MOSFET的導通電阻造成的電壓降會隨著電流的增加而升高。因此，在高功率水平下，IGBT的導通損耗明顯低于MOSFET。
在電壓低于600V且具有相對較低的功率輸出的條件下，MOSFET支持比IGBT更高的開關速度，提供更高的效率，使其成為比以往更可行的選擇。不過，當然，在考慮了所有性能參數之后，最重要的工程參數可能會決定最終選擇，該參數無疑是單位成本。
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