對比功率器件IGBT 真的比 MOSFET 好嗎？

功率半導(dǎo)體是電子裝置中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率，及直流交流轉(zhuǎn)換等。只要在擁有電流電壓及相位轉(zhuǎn)換的電路系統(tǒng)中，都會用到功率零組件。

基本上，功率半導(dǎo)體大致可分為功率離散元件 (Power Discrete) 與功率積體電路 (Power IC) 二大類，其中，功率離散元件產(chǎn)品包括 MOSFET、二極體，及 IGBT，當(dāng)中又以 MOSFET 與 IGBT 最為重要。

IGBT 比 MOSFET 好嗎?我已經(jīng)完成了相當(dāng)多的電源設(shè)計(jì)，包括開關(guān)電源和 H 橋電機(jī)控制器。早在 1970 年代和 1980 年代，我的設(shè)計(jì)是使用 NPN 雙極功率晶體管完成的。我們很少使用 PNP 設(shè)備，因?yàn)樗鼈兺ǔ３杀靖?，并且?dāng)前額定值不及 NPN 對應(yīng)設(shè)備(其他條件相同)。

MOSFET、IGBT 主要用于將發(fā)電設(shè)備所產(chǎn)生電壓和頻率雜亂不一的電流，透過 一系列的轉(zhuǎn)換調(diào)製變成擁有特定電能參數(shù)的電流，以供應(yīng)各類終端電子設(shè)備，成為電子電力變化裝置的核心元件之一。 而全球功率半導(dǎo)體市場中，用于工業(yè)控制比重最高，達(dá) 34%，其次是汽車及通訊領(lǐng)域各占 23%，消費(fèi)電子則占 20%。

MOSFET 依內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，可達(dá)到的電流也不同，一般大到上 KA 也是可行，但 MOSFET 耐電壓能力沒有 IGBT 強(qiáng)。 而 MOSFET 優(yōu)勢在于可以適用高頻領(lǐng)域，MOSFET 工作頻率可以適用在從幾百 KHZ 到幾十 MHZ 的射頻產(chǎn)品。而 IGBT 到達(dá) 100KHZ 幾乎是最佳工作極限。 最后，若當(dāng)電子元件需要進(jìn)行高速開關(guān)動作，MOSFET 則有絕對的優(yōu)勢，主要在于 IGBT 因有整合 BJT，而 BJT 本身存在電荷存儲時間問題，也就是在 OFF 時需耗費(fèi)較長時間，導(dǎo)致無法進(jìn)行高速開關(guān)動作。 所以綜合來看，MOSFET 適用在攜帶型的充電電池領(lǐng)域，或是行動裝置中。至于 IGBT 則適用在高電壓、大功率的設(shè)備，如電動馬達(dá)、汽車動力電池等。

我們也避開了達(dá)林頓晶體管。它們具有高到非常高的增益，但它們的飽和電壓也很高，顯著增加了器件內(nèi)的功耗。

由于輸入晶體管的集電極連接到輸出晶體管的集電極，一旦輸出晶體管開始導(dǎo)通，它就會從輸入晶體管中奪走驅(qū)動電流(或剝奪電壓源)。結(jié)果是復(fù)合器件的飽和電壓約為 1 伏。在高集電極電流下，器件中耗散的功率使其運(yùn)行時非常溫暖。

從 1980 年代到現(xiàn)在，選擇的晶體管通常是 N 溝道 MOSFET。與雙極器件一樣，P 溝道 FET 的額定功率不高，而且價格更高。使用 FET，極高的輸入阻抗使驅(qū)動?xùn)艠O更加 容易。柵源電容在一定程度上抵消了這一優(yōu)勢，尤其是在高開關(guān)頻率下。

我從未使用過絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，部分原因是我從未完全理解它們。我最初認(rèn)為它們是用 N 溝道 FET 代替輸入雙極晶體管的達(dá)林頓器件。這將產(chǎn)生具有極高輸入阻抗和高總增益的器件，但當(dāng)然仍會存在高飽和電壓和相應(yīng)的高功耗。

我最近看到更多關(guān)于 IGBT 器件的新聞稿，所以我決定仔細(xì)研究一下這些器件的真正含義。

啊哈!它實(shí)際上使用 N 溝道 FET 作為輸入器件，但雙極器件是 PNP 器件。現(xiàn)在它變得更加高效，并且該設(shè)備可以具有非常高的擊穿電壓能力。只需幾伏電壓即可打開 FET，然后您就可以用力打開 PNP 晶體管。有那個寄生NPN晶體管;與 PNP 相結(jié)合，它使雙極部分看起來像一個 SCR。事實(shí)上，早期的 IGBT 器件存在閂鎖問題：有時，一旦打開它們，就無法將其關(guān)閉，除非您切斷集電極電流(關(guān)閉主電源)。現(xiàn)代設(shè)備已經(jīng)解決了這個問題。

順便說一句，您會看到 IGBT 的不同符號;這個是半常見的：

請注意，上端稱為集電極，但它連接到 PNP 發(fā)射極。這只是為了簡化每個人對其使用方式的理解，而不是內(nèi)部發(fā)生的事情。

這些設(shè)備并不是適用于所有應(yīng)用的解決方案。只要您將它們與可比較的高壓、大電流器件(高達(dá)千伏和數(shù)百安培范圍)進(jìn)行比較，它們的正向壓降就低于普通 MOSFET。在更溫和的電流水平下，常規(guī) FET 更好。如果您需要 PWM 速率的高開關(guān)速度(達(dá)到數(shù)百 kHz 或 MHz 范圍)，請?jiān)俅问褂脗鹘y(tǒng)的 FET。