MOSFET与IGBT的应用区别

MOSFET与IGBTPOWERMOSFET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)POWERMOSFET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(1500W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。POWERMOSFET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（POWERLOSS）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40—50KHz，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。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+PN-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Tjm≤125℃，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IGBT1Tj=Rthjc×[D.ID2.RDS（ON）+fS（Eon+Eoff）]+Tc对于MOSFET2fS=[（Tj-Tc）/Rthjc－D.IC.VCE（ON）]/（Eon+Eoff）对于IGBT3fS=[（Tj-Tc）/Rthjc－D.ID2.RDS（ON）]/（Eon+Eoff）对于MOSFET4对于1－4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，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=∫τon0V（t）。I（t）dt5Eoff=∫τoff0V（t）。I（t）dt6对于电感负载5和6近似为：Eon=1/2V.I.τon7Eoff=1/2V.I.τoff87、8式中的τon，对桥式电路和单端电路是不同的。对桥式电路τon=ton+trr，trr为反并联二极管的反向恢复时间。对单端电路τon=ton.对于τoff，不管桥式或单端电路τoff=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℃，Tc≤80℃，V=300V，I=30A，D=0.5，fS=100KHZ.将上述条件代入7和8式以及1－4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100KHZ，而Tj均低于125℃。若在fS≤120KHZ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.