電子設(shè)備正逐漸融入越來(lái)越多的產(chǎn)品中。無(wú)論產(chǎn)品是便攜式還是固定式，大多數(shù)電子設(shè)備都需要高效地將電能(或開(kāi)關(guān))從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。為此，采用了電力電子技術(shù)，供應(yīng)商們開(kāi)發(fā)了豐富的開(kāi)關(guān)器件供各種應(yīng)用選擇。如今電力電子的趨勢(shì)是使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)整流、切換和控制電壓和電流。

隨著二極管、晶閘管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)解決方案的選擇擴(kuò)展，了解如何區(qū)分它們變得尤為重要。研究一些流行的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件技術(shù)為確定特定設(shè)計(jì)的最佳選擇提供了基礎(chǔ)。

本文概述了三種可用開(kāi)關(guān)技術(shù)的結(jié)構(gòu)、主要特征及其操作差異，并提供了多個(gè)通常指定這些設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例。此外，還將介紹Bourns新推出的IGBT組件，這些組件專(zhuān)為高電壓、高功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括高電壓系統(tǒng)中的高電流切換。

為什么需要新的解決方案

向清潔能源形式的轉(zhuǎn)變推動(dòng)了各個(gè)層面上對(duì)能源使用的日益關(guān)注，這可以從電力開(kāi)關(guān)效率的組件層面開(kāi)始。盡管以下列出的應(yīng)用并未覆蓋所有情況，但其中一些應(yīng)用使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)提高效率。

· 從小型家用電動(dòng)機(jī)到大型工業(yè)和汽車(chē)電動(dòng)機(jī)

· 不間斷電源(UPS)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為50/60赫茲

· 家用電器中的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)(例如，制冷壓縮機(jī)、感應(yīng)烹飪表面、空調(diào)風(fēng)扇和取暖器的繼電器替換)

· 在高能物理中產(chǎn)生高功率脈沖

· 交流到交流和交流到直流系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)化

· 在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中控制電流流動(dòng)，以用于烹飪和工業(yè)應(yīng)用

· 高功率D類(lèi)音頻放大器

· 焊接H橋逆變器

這些應(yīng)用通常在高電壓和高功率下運(yùn)行。在過(guò)去的電力電子開(kāi)關(guān)設(shè)備可能適用于的解決方案，可能無(wú)法滿足今天更嚴(yán)格的可靠性和效率系統(tǒng)規(guī)范。

三大技術(shù)

值得探討的三種技術(shù)是雙極結(jié)晶體管(BJT)、MOSFET和IGBT。這三種器件都與外部連接有三條主要引腳：BJT有集電極、發(fā)射極和基極;MOSFET有柵極、源極和漏極;IGBT有集電極、柵極和發(fā)射極。根本上的最大區(qū)別在于這些半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)方式。BJT由電流驅(qū)動(dòng)，而MOSFET和IGBT則由電壓驅(qū)動(dòng)。這是本文中一個(gè)重要的區(qū)分點(diǎn)。

BJT（雙極型晶體管）

可以簡(jiǎn)單地將BJT視為兩個(gè)反向連接的二極管，構(gòu)成PN到NP或NP到PN的配置，從而形成PNP或NPN結(jié)。BJT成為一個(gè)三端半導(dǎo)體器件，第一層為發(fā)射極，中間三層為基極，第三層為集電極。

圖1顯示了BJT最常見(jiàn)的配置，即共發(fā)射極。在此配置中，發(fā)射極接地，輸出從集電極和發(fā)射極之間獲取。BJT的共發(fā)射極配置提供中等輸入阻抗、高輸出阻抗、中等電流和電壓增益，以及非常高的功率增益。在該配置中，電流方程為iE = iC + iB，表明進(jìn)入和離開(kāi)設(shè)備的電流相等?；鶚O電流的微小變化會(huì)導(dǎo)致集電極電流的較大變化，這些基極電流的微小變化控制電路。

MOSFET（mos管）

歷史上，MOSFET在設(shè)計(jì)師中獲得了最多的關(guān)注。與BJT類(lèi)似，MOSFET可以是N通道或P通道。N通道MOSFET在交流/直流電源、直流-直流轉(zhuǎn)換器和逆變器設(shè)備等應(yīng)用中很受歡迎，而P通道MOSFET更常用于負(fù)載開(kāi)關(guān)、高側(cè)開(kāi)關(guān)及其他類(lèi)似應(yīng)用。MOSFET相對(duì)于BJT的優(yōu)點(diǎn)包括高輸入阻抗、小的反向傳遞電容、低柵極功耗、寬安全工作區(qū)域和易于驅(qū)動(dòng)。由于其更小的體積和更快的開(kāi)關(guān)能力，MOSFET在過(guò)去20多年中比BJT更廣泛地應(yīng)用。

圖2顯示了MOSFET的截面，揭示其結(jié)構(gòu)比BJT稍微復(fù)雜。由于電壓驅(qū)動(dòng)的特性，其操作方式不同。在漏源之間施加正漏極極性的電壓Vds，并在柵源之間施加正柵極極性的電壓Vgs。當(dāng)施加的電壓使電子被吸引到柵絕緣膜下的p型層時(shí)，會(huì)形成一個(gè)反轉(zhuǎn)層。具體來(lái)說(shuō)，p型層的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閚型區(qū)域。這個(gè)反轉(zhuǎn)層形成了從漏極到源極的n型導(dǎo)電通道，從而以低電阻運(yùn)行。施加的Vds決定漏電流，以及負(fù)載。然而，MOSFET的應(yīng)用范圍受限于某些應(yīng)用中規(guī)定的電壓水平，特別是在高電流的高壓應(yīng)用中。

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）

IGBT結(jié)合了BJT和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，形成了單一設(shè)備。輸入本質(zhì)上是一個(gè)電壓控制的MOSFET柵極，具有高輸入阻抗。

設(shè)計(jì)中BJT部分的輸出級(jí)提供非常高的功率增益和輸出電流流動(dòng)。最常見(jiàn)的IGBT類(lèi)型是擊穿型(PT)和非擊穿型(NPT)。最近，開(kāi)發(fā)人員還引入了技術(shù)增強(qiáng)，如場(chǎng)停止(FS)、溝槽柵和集成二極管(也稱(chēng)為FRD)，以在同一封裝中提供正向和反向偏置操作。

圖3顯示了FS溝槽柵IGBT的截面。IGBT的工作類(lèi)似于MOSFET，其Rbe值(見(jiàn)圖4)被設(shè)置為使IGBT不導(dǎo)通。向N通道MOSFET的柵極施加“開(kāi)啟”信號(hào)會(huì)引入導(dǎo)通狀態(tài)。

然后電流從發(fā)射極流向IGBT第二階段的PNP晶體管的基極。基極電流降低了MOSFET的“開(kāi)啟”電阻。

IGBT的工作原理與MOSFET非常相似。從發(fā)射極到柵極施加正電壓會(huì)導(dǎo)致電子流向柵極。

一旦電壓達(dá)到或超過(guò)閾值電壓，電子將流向柵極形成導(dǎo)電通道，從而允許電流從集電極流向發(fā)射極。當(dāng)電子從發(fā)射極流向集電極時(shí)，襯底中的正離子被吸引向漂移區(qū)。

IGBT通常用于易于驅(qū)動(dòng)的軟開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用，如家用電器和感應(yīng)加熱，這些應(yīng)用的電壓范圍為600伏至1800伏，或在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，如600伏的一般逆變器。在前者中，IGBT提供了低開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)，而在后者中，IGBT提供了所需的高擊穿能力。

MOSFET與IGBT的對(duì)比

在三種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件之間通常需要考慮許多權(quán)衡，MOSFET和IGBT通常是支持高電壓和高電流設(shè)計(jì)的贏家。IGBT被認(rèn)為是MOSFET柵極和BJT電流輸出優(yōu)點(diǎn)的最佳結(jié)合，但在一些領(lǐng)域MOSFET表現(xiàn)更優(yōu)。具體來(lái)說(shuō)，由于IGBT是少數(shù)載流子器件，雙極部分中電子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致尾電流，減慢了設(shè)備關(guān)閉速度。這限制了IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，因此在高頻應(yīng)用中，功率MOSFET是更好的選擇。MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率受到電子在漂移區(qū)的傳播和充電輸入柵極及米勒電容所需時(shí)間的限制。

IGBT相比于功率MOSFET和BJT具有優(yōu)勢(shì)。它具有非常低的“開(kāi)啟”狀態(tài)電壓降和更好的“開(kāi)啟”狀態(tài)電流密度。這使得其設(shè)計(jì)可以更小，從而有可能降低生產(chǎn)成本。驅(qū)動(dòng)IGBT非常簡(jiǎn)單，所需功率較低。在高電壓和高電流應(yīng)用中，相較于由電流控制的BJT，控制IGBT電壓驅(qū)動(dòng)輸入更加容易。IGBT的導(dǎo)通、正向阻斷和反向阻斷能力優(yōu)于BJT。

IGBT的FS結(jié)構(gòu)具有高溫Vce_sat，即使在并聯(lián)工作時(shí)也能更容易平衡集電電流。Vce_sat特性意味著當(dāng)集電電流正向流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降。MOSFET的小電壓降在低電流應(yīng)用中占優(yōu)勢(shì)，而IGBT在高電流應(yīng)用中優(yōu)于MOSFET。低電壓MOSFET的“開(kāi)啟”電阻遠(yuǎn)低于IGBT。這些因素使得MOSFET在大約100 kHz且低電流密度下的開(kāi)關(guān)電源及其他應(yīng)用中理想。而IGBT則是在高電流密度下低于20 kHz的交流驅(qū)動(dòng)中優(yōu)越的解決方案。由于IGBT的輸入電容約為相同額定值MOSFET的1/10，因此在較低工作頻率下更容易驅(qū)動(dòng)IGBT。與這些操作差異相關(guān)的是效率問(wèn)題。

熱量與功率

MOSFET的正向特性強(qiáng)烈依賴于溫度，這在溫度升高時(shí)造成IGBT和MOSFET性能的差異。功率MOSFET具有結(jié)溫限制，必須密切注意數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最大結(jié)溫。

MOSFET通常需要附近有散熱器以散發(fā)熱量。這會(huì)增加額外費(fèi)用，并要求額外的板空間和設(shè)計(jì)組件，即使將散熱器視為熱阻和電容的網(wǎng)絡(luò)。IGBT在熱效率上更高，不需要散熱器。

然而，IGBT可能會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的功率脈沖和熱傳導(dǎo)條件受到損壞。如果在柵區(qū)域形成熱點(diǎn)，過(guò)多的電流集中可能導(dǎo)致熱點(diǎn)內(nèi)及周?chē)膯卧艠O控制，開(kāi)啟BJT并最終損壞設(shè)備。

能量與效率

IGBT的配置隨著溝槽柵場(chǎng)停止(TGFS)技術(shù)的演變和改進(jìn)而發(fā)展。在IGBT中植入反向發(fā)射極和場(chǎng)停止，可以更好地控制動(dòng)態(tài)行為。Vce_sat與Eoff的權(quán)衡曲線也通過(guò)溝槽結(jié)構(gòu)得到了增強(qiáng)。

這允許更薄的芯片，從而增加了單元密度。這導(dǎo)致更低的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗、顯著提高的穩(wěn)健性和顯著降低的熱阻。熱阻是MOSFET的長(zhǎng)期限制。

IGBT具有優(yōu)越的效率和較低的可聽(tīng)噪聲。它可以針對(duì)低導(dǎo)通和低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行優(yōu)化。IGBT中的損耗主要來(lái)自開(kāi)關(guān)損耗，這遠(yuǎn)低于MOSFET的損耗。在IGBT中，開(kāi)啟能量Eon是一個(gè)貢獻(xiàn)因素，但關(guān)閉能量Eoff是主導(dǎo)因素。如果IGBT中存在二極管，則其開(kāi)關(guān)損耗也必須計(jì)入總能量損耗。

將IGBT投入應(yīng)用

盡管與上述三種組件的設(shè)計(jì)可能存在一些相似性，但現(xiàn)在是時(shí)候?qū)徱曇恍┮訧GBT作為電力開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。以下應(yīng)用旨在展示IGBT的高電壓和高電流特性。

圖5是一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。這里，IGBT切換逆變器電路，實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。在家電、工業(yè)和汽車(chē)電動(dòng)機(jī)中使用IGBT有助于提高其效率。

圖6展示了一個(gè)UPS電路。IGBT在中型到大容量UPS模型中使用頻繁。該應(yīng)用的工作容量為幾千VA或更高，IGBT在整體UPS單元中的應(yīng)用提高了效率并節(jié)省了空間。

圖7包含兩個(gè)感應(yīng)加熱電路的圖示。在一個(gè)中，感應(yīng)加熱依賴于LC諧振實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。在另一個(gè)中，它依賴LC諧振實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)關(guān)。這兩種情況都旨在減少開(kāi)關(guān)損耗。這些感應(yīng)加熱應(yīng)用分別具有高諧振電壓或高諧振電流，使IGBT成為理想的開(kāi)關(guān)選擇。這兩個(gè)電路的例子可以在感應(yīng)爐、感應(yīng)電飯煲或微波爐中找到。

經(jīng)驗(yàn)法則

在比較和了解各種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件后，一些通用的經(jīng)驗(yàn)法則可以幫助總結(jié)它們的差異。從根本上講，IGBT適用于擊穿電壓大于400伏的情況，而MOSFET適用于擊穿電壓小于250伏的情況。MOSFET在更高頻率的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)越。

IGBT在以下方面提供了相較于MOSFET的改進(jìn)性能：

· 能夠承受過(guò)載

· 并聯(lián)電流能力

· 更平滑的關(guān)閉和開(kāi)啟波形

· 減少電磁干擾(EMI)

· 更低的“開(kāi)啟”狀態(tài)導(dǎo)電損失和開(kāi)關(guān)損耗

· 更低的熱阻

· 如果需要的話，最小的抑制器

在為特定應(yīng)用選擇IGBT時(shí)，必須密切考慮其穩(wěn)健性、熱容量、開(kāi)關(guān)頻率和二極管性能。由于設(shè)備參數(shù)會(huì)引入獨(dú)特的功率損耗，因此效率會(huì)根據(jù)應(yīng)用有所權(quán)衡。

IGBT的優(yōu)勢(shì)

如本文所示，IGBT相較于其他電力開(kāi)關(guān)組件(包括MOSFET)具有許多優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)供電電壓超過(guò)300伏的應(yīng)用中，使用IGBT及其固有的低電壓降將提高效率，特別是在高溫下操作時(shí)。這減少了散熱器的需求，并簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)。由于半導(dǎo)體電流路徑較短且具有更高的電流密度，IGBT的熱阻降低。

IGBT特別適用于頻率約為100 kHz或更低的高電壓和高電流系統(tǒng)。這是因?yàn)镮GBT具有比類(lèi)似額定MOSFET更低的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。過(guò)載耐久性得到改善，并且在IGBT應(yīng)用中需要更小的或不需要抑制器。IGBT切換時(shí)的波形更柔和，從而導(dǎo)致應(yīng)用中較低的電磁干擾。

IGBT技術(shù)已經(jīng)成熟且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，具有巨大的未來(lái)潛力。IGBT的損耗主要由導(dǎo)電損耗主導(dǎo)，但它們?cè)谶呺H較高的Vce_sat和顯著降低的Eoff下仍能表現(xiàn)良好。