圖源：luchschenF/adobestock.com

半導體(ti) 功率器件主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。其中MOSFET和IGBT屬於(yu) 電壓控製型開關(guan) 器件，具有開關(guan) 速度快、易於(yu) 驅動、損耗低等優(you) 勢。IGBT全稱是絕緣柵極型功率管，是由雙極型三極管 (BJT) 和MOSFET組成的複合全控型電壓驅動式半導體(ti) 功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩(liang) 方麵的優(you) 點。隨著新能源汽車、智能家電、5G、軌道交通等行業(ye) 的興(xing) 起，MOSFET和IGBT也迎來了發展的春天。

然而，在實際應用中，工程師們(men) 都會(hui) 遇到一個(ge) 相同的困惑：器件的選型著實令人頭疼。對此，小編感同身受。今天，我們(men) 就一起來看看MOSFET和IGBT之間的有哪些異同點，在選型時應著重查看哪些參數。

MOSFET和IGBT的異同點

MOSFET和IGBT均為(wei) 集成在單片矽上的固態半導體(ti) 器件，且都屬於(yu) 電壓控製器件。另外，IGBT和MOSFET在柵極和其他端子之間都有絕緣，兩(liang) 種器件全部具有較高的輸入阻抗。在應用中，IGBT和MOSFET都可以用作靜態電子開關(guan) 。

雖然有很多共同點，但在性能參數和應用上，IGBT與(yu) MOSFET還是有許多不同之處。

在結構上，MOSFET和IGBT看起來非常相似，實則不同。IGBT由發射極、集電極和柵極端子組成，而MOSFET由源極、漏極和柵極端子組成。IGBT的結構中有PN結，MOSFET沒有任何PN結。

在特性參數上，MOSFET和IGBT的主要區別體(ti) 現在以下9個(ge) 方麵：

在低電流區，MOSFET的導通電壓低於(yu) IGBT，這也是它的優(you) 勢。不過，在大電流區IGBT的正向電壓特性優(you) 於(yu) MOSFET。此外，由於(yu) MOSFET的正向特性對溫度具有很強的正向依賴性，因此，IGBT的高溫特性更好，導通電壓比MOSFET低。

· IGBT適用於(yu) 中到極高電流的傳(chuan) 導和控製，而MOSFET適用於(yu) 低到中等電流的傳(chuan) 導和控製。

· IGBT不適合高頻應用，它能在千Hz頻率下運行良好。MOSFET特別適合非常高頻的應用，它可以在兆Hz頻率下運行良好。

· IGBT的開關(guan) 速度比較低，MOSFET開關(guan) 速度非常高。

· IGBT可以承受非常高的電壓以及大功率，MOSFET僅(jin) 適用於(yu) 低至中壓應用。

· IGBT具有較大的關(guan) 斷時間，MOSFET的關(guan) 斷時間較小。

· IGBT可以處理任何瞬態電壓和電流，但當發生瞬態電壓時，MOSFET的運行會(hui) 受到幹擾。

· MOSFET器件成本低，價(jia) 格便宜，而IGBT至今仍屬於(yu) 較高成本器件。

· IGBT適合高功率交流應用，MOSFET適合低功率直流應用。

因為(wei) 上述這些差別，在應用上MOSFET和IGBT各有側(ce) 重點。通常，MOSFET的額定電壓約為(wei) 600V，而IGBT的額定電壓能夠達到1400V。從(cong) 額定電壓角度看，IGBT主要用於(yu) 更高電壓的應用。從(cong) 工作頻率角度看，IGBT通常在低於(yu) 20kHz的開關(guan) 頻率下使用，此時它們(men) 比單極性MOSFET具有更高的開關(guan) 損耗。

綜合來看，對於(yu) 低頻 (小於(yu) 20kHz) 、高壓 (大於(yu) 1000V) 、小或窄負載或線路變化、高工作溫度，以及超過5kw的額定輸出功率應用，IGBT是首選。而MOSFET更適合低電壓 (小於(yu) 250V) 、大占空比和高頻 (大於(yu) 200KHz) 的應用。

圖1：不同類型晶體(ti) 管的性能比較 (圖源：TOSHIBA)

MOSFET關(guan) 鍵的電氣參數

MOSFET的優(you) 點決(jue) 定了它非常適合高頻且開關(guan) 速度要求高的應用。在開關(guan) 電源 (SMPS) 中，MOSFET的寄生參數至關(guan) 重要，它決(jue) 定了轉換時間、導通電阻、振鈴 (開關(guan) 時超調) 和背柵擊穿等性能，這些都與(yu) SMPS的效率密切相關(guan) 。

作為(wei) 電源開關(guan) ，選擇的MOSFET應該具有極低的導通電阻、低輸入電容 (即Miller電容) 以及極高的柵極擊穿電壓，這個(ge) 數值甚至高到足以處理電感產(chan) 生的任何峰值電壓。另外，漏極和源極之間的寄生電感也是越低越好，因為(wei) 低寄生電感可將開關(guan) 過程中的電壓峰值降至最低。

對於(yu) 門驅動器或者逆變器應用，通常需要選擇低輸入電容 (利於(yu) 快速切換) 以及較高驅動能力的MOSFET。

IGBT關(guan) 鍵的電氣參數

IGBT的主要優(you) 勢是能夠處理和傳(chuan) 導中至超高電壓和大電流，擁有非常高的柵極絕緣特性，且在電流傳(chuan) 導過程中產(chan) 生非常低的正向壓降，哪怕浪湧電壓出現時，IGBT的運行也不會(hui) 受到幹擾。不足之處在於(yu) IGBT不適合高頻應用。與(yu) MOSFET相比，開關(guan) 速度較慢，關(guan) 斷時間較長。

在實際應用中，逆變技術對IGBT的參數要求並不是一成不變的，對IGBT的要求各不相同。

綜合來看，下麵這些參數在IGBT的選擇中是至關(guan) 重要的。

· 一是額定電壓，在開關(guan) 工作的條件下，IGBT的額定電壓通常要高於(yu) 直流母線電壓的兩(liang) 倍。

· 二是額定電流，由於(yu) 負載電氣啟動或加速時，電流過載，要求在1分鍾的時間內(nei) IGBT能夠承受1.5倍的過流。

· 三是開關(guan) 速度。

· 四是柵極電壓，IGBT的工作狀態與(yu) 正向柵極電壓有很大關(guan) 係，電壓越高，開關(guan) 損耗越小，正向壓降也更小。

新能源汽車中的IGBT和MOSFET

汽車電動化乃大勢所趨。現在，各國政府紛紛製定了各自的碳達峰和碳中和目標，從(cong) 傳(chuan) 統的ICE車輛轉向純電動車輛具有非常重要的意義(yi) 。更嚴(yan) 格的全球CO2排放要求不斷加速汽車電動化的進程，預計從(cong) 2021年到2026年電動車/混合動力車 (EV/HEV) 的複合年增長率 (CAGR(VOL)) 將達到20.1%，被稱為(wei) 零排放汽車 (ZEV) 的電池電動汽車 (BEV) ，其CAGR (VOL) 將高達29.7%。

圖2：EV/HEV在未來5年的增長 (圖源：onsemi)

新能源車中的電機控製係統、引擎控製係統、車身控製係統均需使用大量的半導體(ti) 功率器件，它的普及為(wei) 汽車功率半導體(ti) 市場打開了增長的窗口。在各類半導體(ti) 功率器件中，未來增長最強勁的產(chan) 品將是MOSFET與(yu) IGBT模塊。

據研究機構IC Insights的分析結果，2016年，全球MOSFET市場規模達到了62億(yi) 美元，預計2016年至2022年間MOSFET市場的年複合增長率將達到3.4%。預計到2022年，全球MOSFET市場規模將接近75億(yi) 美元。

IGBT是新能源汽車高壓係統的核心器件，其最核心應用為(wei) 主驅逆變，此外還包括車載充電器 (OBC) 、電池管理係統、車載空調控製係統、轉向等高壓輔助係統。在直流和交流充電樁中，IGBT也有著廣泛應用。在新能源汽車中，MOSFET主要在汽車低壓電器中使用，比如電動座椅調節、電池電路保護、雨刷器的直流電機、LED照明係統等。

IGBT和MOSFET“芯”品推薦

AFGHL25T120RHD是安森美 (onsemi) 汽車級低成本的1200V 25A IGBT，該模塊符合AEC Q101規範，具有堅固且經濟高效的場阻II溝槽結構。在要求苛刻的開關(guan) 應用中可提供優(you) 異的性能，同時提供低導通電壓和最小的開關(guan) 損耗，可用於(yu) EV/HEV的PTC加熱器、電動壓縮機、車載充電器等係統中。

安森美的另一款MOSFET模塊FAM65CR51ADZ1，是一款650V的電源集成模塊 (PIM) ，它帶有升壓轉換器器，主要用於(yu) EV/HEV中的車載充電器 (OBC) 中，它能讓係統的設計更加小巧、高效和可靠。

Infineon Technologies (英飛淩) 有著極其豐(feng) 富的IGBT功率模塊產(chan) 品組合，這些產(chan) 品係列擁有不同的電路結構、芯片配置和電流電壓等級，覆蓋了市場上的大多數應用。它們(men) 有斬波器、DUAL、PIM、四單元、六單元、十二單元、三電平、升壓器或單開關(guan) 配置，電流等級從(cong) 6A到3600A不等。IGBT模塊的適用功率小至幾百瓦，高至數兆瓦。

比如，英飛淩的HybridPACK係列就提供基於(yu) 6種不同封裝的多個(ge) 版本，專(zhuan) 門針對100kW到200kW之間的不同逆變器性能水平進行了優(you) 化，拓展了麵向EV/HEV的IGBT模塊功率區間。該係列中的HybridPACK Drive是一款非常緊湊的功率模塊，專(zhuan) 為(wei) EV/HEV車輛牽引應用而優(you) 化，功率範圍為(wei) 100kW至175kW，可在電動汽車的實際驅動循環中實現最高效率，即使在惡劣環境條件下也能可靠運行逆變器。

圖3：用於(yu) 電動汽車主逆變器的功率模塊HybridPACK Drive IGBT模塊 (圖源：Infineon)

其中，HybridPACK Drive Flat模塊 (FS660R08A6P2Fx) 和Wave模塊 (FS770R08A6P2x) 是HybridPACK Drive產(chan) 品家族中的低性能產(chan) 品，經濟劃算，分別適用於(yu) 100kW至150kW逆變器。作為(wei) 產(chan) 品組合中的高端產(chan) 品，HybridPACK Drive Performance模塊 (FS950R08A6P2B) 的目標應用是200kW逆變器。因使用了專(zhuan) 門的陶瓷材料，而非常用的氧化鋁，其散熱性能提升了20%以上，可以達到更高的電流承受能力。

英飛淩旗下的600V、650V及800V N溝道功率MOSFET主要針對高性能的汽車應用，CoolMOS N溝道MOSFET是該公司具有代表性的產(chan) 品係列，適合低功率至高功率應用，在易用性、高性能與(yu) 價(jia) 格之間取得了巧妙平衡。

結語

功率半導體(ti) 器件又稱為(wei) 電力電子器件，是電力電子裝置實現電能轉換、電路控製的核心器件。上世紀80年代發展起來的矽基MOSFET工作頻率達到了兆Hz級。隨著矽基IGBT的出現，功率器件在大功率化和高頻化之間找到了解決(jue) 方案。

在不間斷電源 (UPS) 、工業(ye) 逆變器、功率控製、電機驅動、脈寬調製 (PWM) 、開關(guan) 電源 (SMPS) 等開關(guan) 應用中，MOSFET和IGBT因其具有的優(you) 越特性，在性能上明顯優(you) 於(yu) 其他開關(guan) 器件。其中，MOSFET主要用於(yu) 較低的電壓和功率係統，而IGBT更適合較高的電壓和功率應用。

在新能源汽車、智能家電、5G等需求的拉動下，IGBT和MOSFET的市場規模不斷擴大，進入該領域的企業(ye) 越來越多。如何在品類繁雜的市場中找到最符合自己需求的產(chan) 品是一件令人頭疼的事。其實，無論多麽(me) 複雜，你隻需關(guan) 注上麵我們(men) 介紹的那些主要參數，相信就一定會(hui) 找到滿意的產(chan) 品。