2022年MOSFET与IGBT的应用区别 .pdf
MOSFET 与 IGBTPOWER MOSFET 优点是高频特性十分优秀（MOSFET 可以工作到几百KHZ, 上 MHZ, 以至几十MHZ, 射频领域的产品） ，驱动简单 (电压型驱动 )，抗击穿性妤 (没有雪崩效应 )POWER MOSFET 的弱点是高耐压化后之功率损失激增。缺点是耐高压的器件，导通电阻大在高压大电流场合功耗较大，因此大功率(1 500W 以上 )有些困难。对于MOSFET来说, 仅由多子承担的电荷运输没有任何存储效应, 因此, 很容易实现极短的开关时间。 POWER MOSFET 其高频特性十分优秀，所以MOSFET 可用于较高频率的场合。在低电源电压下动作时之功率损失（POWER LOSS）远低于以往之组件，但是问题是, 在高压的开状态下的源漏电阻很高(压降高 ) , 而且随着器件的电压等级迅速增长（耐压越高导通电阻越大 ,除了采用COOLMOS 管芯的以外 )。 因而其传导损耗就很高, 特别在高功率应用时, 很受限制。IGBT 优点是驱动简单，导通压降小，耐压高功率可以达到5000w。IGBT 弱点是开关频率最大4050KHz ，开关损耗大而且有擎拄效应。和 MOSFET有所不同,IGBT器件中少子也参与了导电, IGBT 是采用 MOS 结构的双极器件导通电阻小 (发热就少 )高耐压 ,因而可大大降低导通压降。但另一方面, 存储电荷的增强与耗散引发了开关损耗、延迟时间( 存储时间) 、以及在关断时还会引发集电极拖尾电流。同时存在的电流尾巴和较高的IGBT集电极到发射极电压将产生关闭开关损耗。这样就限制了IGBT的上限频率由以上分析可知,IGBT 适用于高功率和高压的场合, 但是因为电流尾巴的原因,频率范围受限, 开关损耗也很明显;MOSFET关闭时电流下降速度快, 可用于较高频率范围内 , 但由于开通漏电阻高, 在较高的电压等级下, 导致的开通损耗显著, 不适用于高功率电路中。驱动两种电路可以一样,只是 IGBT 输入电容 MOS 大故需提供更大的正负电压的驱动功率。总之， MOSFET 一般在较低功率应用及较高频应用（即功率1000W 及开关频率 100kHz ）中表现较好， 而 IGBT 则在较低频及较高功率设计中表现卓越。就其应用 ,根据其特点 :MOSFET 应用于开关电源,镇流器 ,高频感应加热,高频逆变焊机,通信电源等等高频电源领域;IGBT 集中应用于焊机 ,逆变器 ,变频器 ,电镀电解电源 ,超音频感应加热等领域。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 用 IGBT 代替 MOSFET 的可行性分析一、引言电力电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率因数和低成本的方向发展，功率器件则要求高速、高可靠、低损耗和低成本。目前所用功率器件主要是功率MOSFET 和 IGBT.IGBT是为降低功率MOSFET 的导通电阻RDS（ ON） ，将双极晶体管的集电区电导调制效应引入MOSFET 的漏极，实现了漏极高阻漂移区的电导调制效应，从而降低了IGBT 的导通压降VCE（ ON） .从制造工艺上讲，MOSFET 和 IGBT 的不同只是原始Si 材料的不同，MOSFET 采用N-N+ 同型外延Si 片， IGBT 采用 N-P+ 异型外延 Si 片，在同型外延Si 片上用 MOSFET 工艺生产出的器件为MOSFET ，在异型外延Si 片上用 MOSFET 工艺生产出的器件为IGBT.N-P+ 结的引入使得IGBT 为一个四层（N+P N-P+）结构。所谓电导调制是指处于正偏的N-P+结，由 P+向 N-区注入少子空穴，实现了N-区的电导调制，使N-区的电阻率降低。因为少子注入，在关断期间就存在少子复合，所以IGBT 的开关速度要慢于MOSFET. 那么在多高的开关频率下，IGBT 可以替代MOSFET ？要做具体分析。二、为什么要取代MOSFET ？降低 MOSFET 的 RDS （ON） 是高压功率MOSFET 发展中很难解决的问题，降低RDS （ON）的主要办法是增加芯片面积。面积增加，速度下降，生产合格率降低，而成本大幅度提高。在相同电压和电流下，IGBT 芯片面积不足MOSFET 芯片面积的1/2，而且开关速度近似，同时成本降低一半。所以用IGBT 代替 MOSFET 可在性能不变的情况下，大幅度降低成本，而且对于几千安培、数千伏特的应用，MOSFET 是不能实现的。三、用 IGBT 代替 MOSFET 的可行性1. IGBT 和 MOSFET 电性能的不同相同功率容量的IGBT 和 MOSFET 的主要区别是IGBT速度可能慢于MOSFET ，再者就是IGBT 存在关断拖尾时间ttail .ttail 长，死区时间也要加长，从而影响了使用开关频率。表1 是 APT 公司生产的IGBT 和 MOSFET 可互换器件的主要电参数。表 1由表 1 可见 APT30GP60B 和 APT5010B2LL相比，toff 较长，而硅片面积ASi 和归一成本，APT5010B2LL均是 APT30GP60B 的两倍。2.IGBT和 MOSFET可使用开关频率fSM 和结温 Tj 在大功率器件的使用中，所有参数都受器件结温Tj 的限制，手册中给出Tjm=150 ，而使用中要控制Tjm125，有试验表明Tj每增高 2，可靠性下降10。所以一种器件可否代替另一种器件的首要考虑是在相同应用条件下，Tj 是否超过 125，其次要考虑在相同的应用条件下，可使用的开关频率可否近似。器件应用中的总功耗Pt：Pt=（ Tj-Tc）/ Rthjc= PC+PS+PD+PRPC=D.IC.VCE （ON） （D.ID2.RDS （ON） ）为导通损耗，D 为占空比，VCE （ON） 为导通压降，RDS（ON）为导通电阻，IC 为应用电流。PS= fS（ Eon +Eoff ）为开关损耗，fS 为使用开关频率，Eon 和 Eoff 为一个周期内的开通和关断能量损耗。PD= VG.QG.fS为驱动损耗，VG 为通导到关断栅电压，QG 为栅电荷。PR=（1-D） 。VR.IR 为关断损耗，VR 和 IR 分别为反向电压和电流。PD 、PR 和 PC 、PS相比一般是很小的，因此可忽略不计。 （Tj-Tc）/ Rthjc= D.IC.VCE （ON） （D.ID2.RDS （ON） ）+fS（Eon +Eoff ）而 Tj= Rthjc D.IC.VCE （ ON）+fS （ Eon +Eoff ） + Tc 对于 IGBT Tj= Rthjc D.ID2.RDS（ON） +fS （Eon +Eoff ） + Tc 对于 MOSFET fS =（Tj-Tc ） / Rthjc D.IC.VCE（ON ） / （Eon+Eoff ） 对于 IGBT fS =（Tj-Tc ）/ RthjcD.ID2.RDS（ON）/ （Eon +Eoff ） 对于 MOSFET对于 式，除 Eon 和 Eoff 之外的参数均是应用条件和手册中可查到的。对于 IGBT ，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - Eon 和 Eoff 在手册中可查到测试条件下的测试值，MOSFET 手册中并不给出。 所以 Eon 和 Eoff要根据应用条件和Eon 、Eoff 的测试方法来计算。Eon = on0V（t） 。I（t）dt Eoff= off0V（t） 。I（t）dt 对于电感负载 和 近似为： Eon =1/2V.I. on Eoff=1/2V.I.off 、式中的 on，对桥式电路和单端电路是不同的。对桥式电路on=ton +trr ，trr 为反并联二极管的反向恢复时间。对单端电路on=ton .对于 off ，不管桥式或单端电路off=toff.3.在相同拓扑电路和应用条件下fSM 和结温 Tj 的计算应用条件：桥式硬开关电路，Tj 125 ， Tc80 ，V=300V ，I=30A ，D=0.5，fS=100KHZ .将上述条件代入 和式以及 式，结果如表2 所示表 2四、分析和讨论IGBT 能否代替 MOSFET ，首先要考虑在相同的使用条件下，可使用的开关频率fSM 是否满足要求，再考虑Tj 是否小于125。在上述应用条件下，APT30GP60B 和 APT5010B2LL可使用频率均大于100 KHZ，而 Tj均低于125。若在fS120KHZ下使用，两者均能满足Tj125要求，所以在上述条件下APT30GP60B 可代替 APT5010B2LL.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -
