MOSFET靠什么進(jìn)軍IGBT的應用領(lǐng)域？

大致來(lái)說(shuō)，這個(gè)假定是正確的：MOSFET支持更快的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)速度較慢，具有較高的開(kāi)關(guān)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(lái)說(shuō)，選擇哪種器件更合適是顯而易見(jiàn)的。但事實(shí)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(chǎn)品和技術(shù)開(kāi)發(fā)，這兩種類(lèi)型器件一直在不斷演變。

通過(guò)解釋最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，本文使用戶(hù)能夠更好地了解最能滿(mǎn)足應用需求的最合適的器件類(lèi)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(fā)展在很大程度上旨在通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗來(lái)提高開(kāi)關(guān)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(guān)斷特性，這會(huì )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(fā)射極飽和電壓VCE（sat），它決定了器件的通態(tài)電壓，即決定了導通損耗。

一些早期的IGBT類(lèi)型的另一個(gè)問(wèn)題是它們的負溫度系數，它可能導致熱失控：因此很難同時(shí)運行多個(gè)器件，無(wú)法提供高功率輸出。

以下三種技術(shù)的發(fā)展提供了這個(gè)問(wèn)題的解決方案：第一，穿通型（PT）平面技術(shù)，第二，非穿通型（NPT）平面，第三，當今的IGBT溝槽柵場(chǎng)截至技術(shù)，如圖1所示。

圖1：平面型（左）和溝槽柵場(chǎng)截至型IGBT（右）的結構比較（來(lái)源：意法半導體）

這些晶片制造技術(shù)能夠使制造商不斷減小器件內硅的質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)包括：

降低了單位成本，因為每個(gè)晶片可以切割成更多器件

實(shí)現了更快的開(kāi)關(guān)速度

縮短了電流尾巴的長(cháng)度，實(shí)現了更低的開(kāi)關(guān)損耗

降低了集電極-發(fā)射極飽和電壓

功耗降低能夠實(shí)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(shù)的器件如表1所示。

表1：最新系列IGBT提供低損耗和高開(kāi)關(guān)速度

MOSFET技術(shù)：導通電阻越來(lái)越低

如IGBT一樣，MOSFET在過(guò)去二十年中經(jīng)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(shù)以及垂直超級結的引入實(shí)現的巨大進(jìn)步。在這些新技術(shù)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(chǎng)上，溝槽技術(shù)已成為MOSFET的優(yōu)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(yōu)異的正向偏置安全工作區（FBSOA）以及非嵌位感性開(kāi)關(guān)（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(yōu)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(shù)的類(lèi)似器件（FDB2710）在開(kāi)啟（左）和關(guān)斷（右）反向恢復期間的性能比較。（來(lái)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(zhù)，選擇針對特定應用的MOSFET時(shí)，系統設計人員應特別注意：

其電路的寄生參數

操作環(huán)境的熱特性

他們所選擇的MOSFET技術(shù)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(gè)雜散電感。

第一個(gè)是串聯(lián)到源極引腳的電感。該電感存在于柵極驅動(dòng)控制回路中，并作為一種反饋，可減緩柵極驅動(dòng)信號。設計者需要注意不要超過(guò)柵-源最大電壓額定值。

第二個(gè)電感是串聯(lián)到漏極引腳的電感。如果未嵌位，當器件關(guān)斷時(shí)它會(huì )導致一個(gè)過(guò)壓尖峰?？梢允褂镁彌_器或嵌位器件來(lái)最小化這種影響。此外，在開(kāi)啟時(shí)，這個(gè)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(dòng)器吸收更多的電流，實(shí)現較慢的整體換向過(guò)渡沿，如圖3所示。

圖3：源極雜散電感在開(kāi)啟時(shí)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(jiǎn)單。但在特性交叉處，兩種器件類(lèi)型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，使選擇變得不太容易?；谔蓟瑁⊿iC）技術(shù)的MOSFET的發(fā)展使選擇進(jìn)一步復雜，因為它們提供了比硅MOSFET更高的性能（更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的損耗），但單位成本顯著(zhù)更高。今天，在上述的IGBT和MOSFET技術(shù)的許多演變后，這種交叉涉及到工作電壓高于250V、開(kāi)關(guān)頻率在10kHz和200kHz之間，并且功率超過(guò)500W的應用，如圖4和5所示。

圖4：MOSFET和IGBT的功能優(yōu)勢點(diǎn)

圖5：IGBT和MOSFET的典型效率電流積

MOSFET的結構包括一個(gè)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(kāi)關(guān)速度非?？?。為了實(shí)現與IGBT相同的功能，設計者必須指定一個(gè)“共同封裝IGBT”- 即在單個(gè)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(kāi)發(fā)針對工作電壓超過(guò)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(chǎn)品。問(wèn)題是，SJ MOSFET的內部體二極管本質(zhì)上比IGBT的普通FRED共同封裝超快二極管慢。

在必要時(shí)，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(gè)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(wú)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(chǎn)生高功率輸出時(shí)，IGBT仍然是唯一的選擇。這是因為IGBT的飽和電壓在整個(gè)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(huì )隨著(zhù)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(kāi)關(guān)速度，提供更高的效率，使其成為比以往更可行的選擇。不過(guò)，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(huì )決定最終選擇，該參數無(wú)疑是單位成本。