【導(dǎo)讀】兩個(gè)主要類型的功率晶體管：MOSFET和IGBT非常流行，它們在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)使用了多年，因此，很容易假定它們之間的差異一直保持不變。本文通過解釋最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，使用戶能夠更好地了解最能滿足應(yīng)用需求的最合適的器件類型，并解釋了目前的功率晶體管選擇的灰色區(qū)域。
大致來說，這個(gè)假定是正確的：MOSFET支持更快的開關(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的開關(guān)速度較慢，具有較高的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，但它更耐用，并能處理更高的峰值電流和連續(xù)電流值。
選擇MOSFET或IGBT的一般規(guī)則是不變的，對于大多數(shù)應(yīng)用來說，選擇哪種器件更合適是顯而易見的。但事實(shí)上，由于主要供應(yīng)商，如意法半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體和飛兆半導(dǎo)體等不斷的產(chǎn)品和技術(shù)開發(fā)，這兩種類型器件一直在不斷演變。
通過解釋最新一代MOSFET和IGBT的工作特性，本文使用戶能夠更好地了解最能滿足應(yīng)用需求的最合適的器件類型，并解釋了目前的功率晶體管選擇的灰色區(qū)域。
速度和效率
IGBT和MOSFET的發(fā)展在很大程度上旨在通過降低開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗來提高開關(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(dǎo)通損耗。
一些早期的IGBT類型的另一個(gè)問題是它們的負(fù)溫度系數(shù)，它可能導(dǎo)致熱失控：因此很難同時(shí)運(yùn)行多個(gè)器件，無法提供高功率輸出。
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(dāng)今的IGBT溝槽柵場截至技術(shù)，如圖1所示。
圖1：平面型（左）和溝槽柵場截至型IGBT（右）的結(jié)構(gòu)比較（來源：意法半導(dǎo)體）
這些晶片制造技術(shù)能夠使制造商不斷減小器件內(nèi)硅的質(zhì)量。其優(yōu)點(diǎn)包括：
- 降低了單位成本，因?yàn)槊總€(gè)晶片可以切割成更多器件
- 實(shí)現(xiàn)了更快的開關(guān)速度
- 縮短了電流尾巴的長度，實(shí)現(xiàn)了更低的開關(guān)損耗
- 降低了集電極-發(fā)射極飽和電壓
功耗降低能夠?qū)崿F(xiàn)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提供低損耗和高開關(guān)速度
MOSFET技術(shù)：導(dǎo)通電阻越來越低
如IGBT一樣，MOSFET在過去二十年中經(jīng)歷了許多演變。
在早期，MOSFET的結(jié)構(gòu)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(jié)的引入實(shí)現(xiàn)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(nèi)部，從而能夠更好地利用現(xiàn)有的硅。
因此，即使平面器件仍然存在于市場上，溝槽技術(shù)已成為MOSFET的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
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(qū)（FBSOA）以及非嵌位感性開關(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(fù)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)的類似器件（FDB2710）在開啟（左）和關(guān)斷（右）反向恢復(fù)期間的性能比較。（來源：飛兆半導(dǎo)體）
這主要是因?yàn)榕c溝槽MOSFET相比，平面MOSFET的結(jié)構(gòu)需要更多的硅材料、更大的厚度和更大的接觸面。
這意味著，選擇針對特定應(yīng)用的MOSFET時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注意：
- 其電路的寄生參數(shù)
- 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(shù)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(qū)動控制回路中，并作為一種反饋，可減緩柵極驅(qū)動信號。設(shè)計(jì)者需要注意不要超過柵-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(dāng)器件關(guān)斷時(shí)它會導(dǎo)致一個(gè)過壓尖峰?？梢允褂镁彌_器或嵌位器件來最小化這種影響。此外，在開啟時(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(dǎo)致柵極驅(qū)動器吸收更多的電流，實(shí)現(xiàn)較慢的整體換向過渡沿，如圖3所示。
圖3：源極雜散電感在開啟時(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(yīng)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(shù)應(yīng)用中都很簡單。但在特性交叉處，兩種器件類型都有其優(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(fù)雜，因?yàn)樗鼈兲峁┝吮裙鐼OSFET更高的性能（更快的開關(guān)速度、更低的損耗），但單位成本顯著更高。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、開關(guān)頻率在10kHz和200kHz之間，并且功率超過500W的應(yīng)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(jié)構(gòu)包括一個(gè)二極管，非常適用于處理續(xù)流電流。在電壓低于200V 的MOSFET中，如意法半導(dǎo)體的STM F7系列、飛兆半導(dǎo)體的Power Trench系列、恩智浦半導(dǎo)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關(guān)速度非常快。為了實(shí)現(xiàn)與IGBT相同的功能，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET更大、更昂貴的解決方案。
在工作電壓高于500V的應(yīng)用中，選擇變得更加復(fù)雜：因?yàn)槌壗Y(jié)（SJ）MOSFET的開發(fā)針對工作電壓超過500V的高壓系統(tǒng)，如意法半導(dǎo)體的MDmesh II、MDmesh V、FDmesh II和SuperMESH 5系列，飛兆半導(dǎo)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(nèi)用作“共同封裝IGBT”的替代產(chǎn)品。問題是，SJ MOSFET的內(nèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dǎo)體的FDmesh II或飛兆半導(dǎo)體的SuperFET II系列，但即使是這些器件，也永遠(yuǎn)無法與標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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?yàn)镮GBT的飽和電壓在整個(gè)電流范圍內(nèi)幾乎是恒定的，而MOSFET的導(dǎo)通電阻造成的電壓降會隨著電流的增加而升高。因此，在高功率水平下，IGBT的導(dǎo)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，當(dāng)然，在考慮了所有性能參數(shù)之后，最重要的工程參數(shù)可能會決定最終選擇，該參數(shù)無疑是單位成本。
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