MOSFET靠什么进军IGBT的应用领域？

两个主要类型的功率晶体管：MOSFET和IGBT非常流行，它们在电源系统设计中已经使用了多年，因此，很容易假定它们之间的差异一直保持不变。本文通过解释最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，使用户能够更好地了解最能满足应用需求的最合适的器件类型，并解释了目前的功率晶体管选择的灰色区域。

大致来说，这个假定是正确的：MOSFET支持更快的开关速度和更高的效率，但不太耐用，并具有较低的最大额定电流。而IGBT的开关速度较慢，具有较高的开关损耗和传导损耗，但它更耐用，并能处理更高的峰值电流和连续电流值。

选择MOSFET或IGBT的一般规则是不变的，对于大多数应用来说，选择哪种器件更合适是显而易见的。但事实上，由于主要供应商，如意法半导体、安森美半导体和飞兆半导体等不断的产品和技术开发，这两种类型器件一直在不断演变。

通过解释最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，本文使用户能够更好地了解最能满足应用需求的最合适的器件类型，并解释了目前的功率晶体管选择的灰色区域。

 

速度和效率

 

IGBT和MOSFET的发展在很大程度上旨在通过降低开关损耗和传导损耗来提高开关速度和效率。

 

在双极型晶体管中，该方法集中在改善其相对较慢的关断特性，这会引起器件的较大“电流尾巴”。此外，IGBT的制造商致力于降低集电极-发射极饱和电压VCE（sat），它决定了器件的通态电压，即决定了导通损耗。

一些早期的IGBT类型的另一个问题是它们的负温度系数，它可能导致热失控：因此很难同时运行多个器件，无法提供高功率输出。

以下三种技术的发展提供了这个问题的解决方案：第一，穿通型（PT）平面技术，第二，非穿通型（NPT）平面，第三，当今的IGBT沟槽栅场截至技术，如图1所示。

 

 

 

 

图1：平面型（左）和沟槽栅场截至型IGBT（右）的结构比较（来源：意法半导体）

 

这些晶片制造技术能够使制造商不断减小器件内硅的质量。其优点包括：

 

降低了单位成本，因为每个晶片可以切割成更多器件

实现了更快的开关速度

缩短了电流尾巴的长度，实现了更低的开关损耗

降低了集电极-发射极饱和电压
 

功耗降低能够实现功率密度的提高，因此，今天的IGBT可以处理比第一代IGBT高50％的平均电流。得益于最新的IGBT技术的器件如表1所示。

 

 

 

表1：最新系列IGBT提供低损耗和高开关速度

MOSFET技术：导通电阻越来越低

如IGBT一样，MOSFET在过去二十年中经历了许多演变。

在早期，MOSFET的结构是平面的：较新的MOSFET大大得益于沟槽栅技术以及垂直超级结的引入实现的巨大进步。在这些新技术中，栅极引脚更深地嵌入到硅材料的内部，从而能够更好地利用现有的硅。

因此，即使平面器件仍然存在于市场上，沟槽技术已成为MOSFET的优选结构。

平面MOSFET还在使用的原因是，与沟槽栅MOSFET的比较表明，平面器件具有优异的正向偏置安全工作区（FBSOA）以及非嵌位感性开关（UIS）雪崩能力。但是，这些研究还显示，沟槽MOSFET的体二极管的反向恢复性能（由反向电流密度表征）优于等效的平面MOSFET，如图2所示。

 

 

 

 

图2：平面MOSFET（FDB44N25）与采用沟槽栅技术的类似器件（FDB2710）在开启（左）和关断（右）反向恢复期间的性能比较。（来源：飞兆半导体）

 

这主要是因为与沟槽MOSFET相比，平面MOSFET的结构需要更多的硅材料、更大的厚度和更大的接触面。

 

这意味着，选择针对特定应用的MOSFET时，系统设计人员应特别注意：

 

其电路的寄生参数

*** 作环境的热特性

他们所选择的MOSFET技术的相对耐用性和脆弱性

需要考虑的最重要的寄生参数是两个杂散电感。

 

第一个是串联到源极引脚的电感。该电感存在于栅极驱动控制回路中，并作为一种反馈，可减缓栅极驱动信号。设计者需要注意不要超过栅-源最大电压额定值。

 

第二个电感是串联到漏极引脚的电感。如果未嵌位，当器件关断时它会导致一个过压尖峰。可以使用缓冲器或嵌位器件来最小化这种影响。此外，在开启时，这个电感的另一影响是漏极电压下降，使米勒电容放电，导致栅极驱动器吸收更多的电流，实现较慢的整体换向过渡沿，如图3所示。

 

 

 

图3：源极杂散电感在开启时的影响

 

为了减小这些影响，必须尽量降低杂散电路电感。

 

寻找MOSFET和IGBT应用之间的边界

 

如上所示，IGBT和MOSFET的特性使得它们的选择在大多数应用中都很简单。但在特性交叉处，两种器件类型都有其优缺点，使选择变得不太容易。基于碳化硅（SiC）技术的MOSFET的发展使选择进一步复杂，因为它们提供了比硅MOSFET更高的性能（更快的开关速度、更低的损耗），但单位成本显著更高。今天，在上述的IGBT和MOSFET技术的许多演变后，这种交叉涉及到工作电压高于250V、开关频率在10kHz和200kHz之间，并且功率超过500W的应用，如图4和5所示。

 

 

 

 

图4：MOSFET和IGBT的功能优势点

 

 

 

图5：IGBT和MOSFET的典型效率&电流积

 

MOSFET的结构包括一个二极管，非常适用于处理续流电流。在电压低于200V 的MOSFET中，如意法半导体的STM F7系列、飞兆半导体的Power Trench系列、恩智浦半导体的PowerMOS Trench 9 和Trench系列，以及Vishay的第四代系列，它们集成的二极管开关速度非常快。为了实现与IGBT相同的功能，设计者必须指定一个“共同封装IGBT”- 即在单个封装里集成分立式快速二极管和IGBT，这是比标准MOSFET更大、更昂贵的解决方案。

 

在工作电压高于500V的应用中，选择变得更加复杂：因为超级结（SJ）MOSFET的开发针对工作电压超过500V的高压系统，如意法半导体的MDmesh II、MDmesh V、FDmesh II和SuperMESH 5系列，飞兆半导体的SuperFet II、Easy Drive、Fast和Fast Recovery (FRFET)系列，以及Vishay的E和EF系列。与普通MOSFET相比，SJ MOSFET能在更高电压范围内用作“共同封装IGBT”的替代产品。问题是，SJ MOSFET的内部体二极管本质上比IGBT的普通FRED共同封装超快二极管慢。

在必要时，例如在半桥相移拓扑结构中，可以选择包括相对较快的体二极管的特殊SJ MOSFET。每个大型MOSFET制造商都提供了这些特殊的高速SJ MOSFET，如意法半导体的FDmesh II或飞兆半导体的SuperFET II系列，但即使是这些器件，也永远无法与标准IGBT中的超快二极管一样快。

在高电压下，SJ MOSFET适用于相对较低的功率输出。当工作于600V以上并产生高功率输出时，IGBT仍然是唯一的选择。这是因为IGBT的饱和电压在整个电流范围内几乎是恒定的，而MOSFET的导通电阻造成的电压降会随着电流的增加而升高。因此，在高功率水平下，IGBT的导通损耗明显低于MOSFET。

在电压低于600V且具有相对较低的功率输出的条件下，MOSFET支持比IGBT更高的开关速度，提供更高的效率，使其成为比以往更可行的选择。不过，当然，在考虑了所有性能参数之后，最重要的工程参数可能会决定最终选择，该参数无疑是单位成本。