EV和充電樁：IGBT和MOSFET工程選型9個異同點

前言  

 

EV和充電樁將成為IGBT和MOSFET最大單一產業鏈市場！俄烏戰爭加速了EV產業鏈發展，去化石燃料、保護國家安全，以及碳達峰和碳中和目標制約協同各國促進EV產業鏈加速發展。  

 

EV中的電機控制系統、引擎控制系統、車身控制系統均需使用大量的半導體功率器件，它的普及為汽車功率半導體市場打開了增長的窗口。充電樁中決定充電效率和能量轉化的關鍵元件是IGBT和MOSFET。在各類半導體功率器件中，未來增長最強勁的產品將是MOSFET與IGBT模塊。     

 

 

圖：中國IGBT市場供需數據，我愛方案網匯總    

 

為了幫助工程師選型，特別是中控人機界面方案商的工程師（熟悉通信互聯，并不熟悉執行部分和元器件構成），本文提供IGBT和MOSFET基礎知識和工程選型要領。一般認為IGBT個大功率大，MOSFET適合開關和小電流驅動，其實IGBT與MOSFET有9大異同點，我們一起來看看。   

 

01  

 

IGBT與MOSFET的分類與異同點  

 

IGBT全稱是絕緣柵極型功率管，是由雙極型三極管 (BJT) 和MOSFET組成的復合全控型電壓驅動式半導體功率器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面的優點。MOSFET和IGBT屬于電壓控制型開關器件，具有開關速度快、易于驅動、損耗低等優勢。  

 

MOSFET和IGBT均為集成在單片硅上的固態半導體器件，且都屬于電壓控制器件。另外，IGBT和MOSFET在柵極和其他端子之間都有絕緣，兩種器件全部具有較高的輸入阻抗。在應用中，IGBT和MOSFET都可以用作靜態電子開關。  

 

在結構上，MOSFET和IGBT看起來非常相似，實則不同。IGBT由發射極、集電極和柵極端子組成，而MOSFET由源極、漏極和柵極端子組成。IGBT的結構中有PN結，MOSFET沒有任何PN結。  

 

IGBT與MOSFET有9大異同點：  

 

在低電流區，MOSFET的導通電壓低于IGBT，這也是它的優勢。不過，在大電流區IGBT的正向電壓特性優于MOSFET。此外，由于MOSFET的正向特性對溫度具有很強的正向依賴性，因此，IGBT的高溫特性更好，導通電壓比MOSFET低。  

 

IGBT適用于中到極高電流的傳導和控制，而MOSFET適用于低到中等電流的傳導和控制。  

 

IGBT不適合高頻應用，它能在千Hz頻率下運行良好。MOSFET特別適合非常高頻的應用，它可以在兆Hz頻率下運行良好。  

 

IGBT的開關速度比較低，MOSFET開關速度非常高。  

 

IGBT可以承受非常高的電壓以及大功率，MOSFET僅適用于低至中壓應用。  

 

IGBT具有較大的關斷時間，MOSFET的關斷時間較小。  

 

IGBT可以處理任何瞬態電壓和電流，但當發生瞬態電壓時，MOSFET的運行會受到干擾。  

 

MOSFET器件成本低，價格便宜，而IGBT至今仍屬于較高成本器件。  IGBT適合高功率交流應用，MOSFET適合低功率直流應用。   

 

 

圖：IGBT vs MOSFET結構圖示    

 

上述這些差別，在應用上MOSFET和IGBT各有側重點。通常，MOSFET的額定電壓約為600V，而IGBT的額定電壓能夠達到1400V。從額定電壓角度看，IGBT主要用于更高電壓的應用。從工作頻率角度看，IGBT通常在低于20kHz的開關頻率下使用，此時它們比單極性MOSFET具有更高的開關損耗。    

 

對于低頻 (小于20kHz) 、高壓 (大于1000V) 、小或窄負載或線路變化、高工作溫度，以及超過5kw的額定輸出功率應用，IGBT是首選。而MOSFET更適合低電壓 (小于250V) 、大占空比和高頻 (大于200KHz) 的應用。   

 

 

圖：不同類型晶體管的性能比較    

 

02  

 

MOSFET特別適合高頻開關應用  

 

作為電源開關，選擇的MOSFET應該具有極低的導通電阻、低輸入電容 (即Miller電容) 以及極高的柵極擊穿電壓，這個數值甚至高到足以處理電感產生的任何峰值電壓。另外，漏極和源極之間的寄生電感也是越低越好，因為低寄生電感可將開關過程中的電壓峰值降至最低。  

 

MOSFET的優點決定了它非常適合高頻且開關速度要求高的應用。在開關電源 (SMPS) 中，MOSFET的寄生參數至關重要，它決定了轉換時間、導通電阻、振鈴 (開關時超調) 和背柵擊穿等性能，這些都與SMPS的效率密切相關。  

 

對于門驅動器或者逆變器應用，通常需要選擇低輸入電容 (利于快速切換) 以及較高驅動能力的MOSFET。  

 

03  

 

IGBT適合高壓大電流應用  

 

與MOSFET相比，IGBT開關速度較慢，關斷時間較長，不適合高頻應用。  

 

IGBT的主要優勢是能夠處理和傳導中至超高電壓和大電流，擁有非常高的柵極絕緣特性，且在電流傳導過程中產生非常低的正向壓降，哪怕浪涌電壓出現時，IGBT的運行也不會受到干擾。  

 

在實際應用中，逆變技術對IGBT的參數要求并不是一成不變的，對IGBT的要求各不相同。  

 

綜合來看，下面這些參數在IGBT的選擇中是至關重要的。  

 

一是額定電壓，在開關工作的條件下，IGBT的額定電壓通常要高于直流母線電壓的兩倍。  

 

二是額定電流，由于負載電氣啟動或加速時，電流過載，要求在1分鐘的時間內IGBT能夠承受1.5倍的過流。  

 

三是開關速度。  

 

四是柵極電壓，IGBT的工作狀態與正向柵極電壓有很大關系，電壓越高，開關損耗越小，正向壓降也更小。      

 

小  結    

 

IGBT和MOSFET是電力電子裝置實現電能轉換、電路控制的核心器件。MOSFET工作頻率達到了兆Hz級，IGBT在大功率化和高頻化之間找到了市場突破點。  

 

在不間斷電源 (UPS) 、工業逆變器、功率控制、電機驅動、脈寬調制 (PWM) 、開關電源 (SMPS) 等開關應用中，MOSFET和IGBT因其具有的優越特性，在性能上明顯優于其他開關器件。其中，MOSFET主要用于較低的電壓和功率系統，而IGBT更適合較高的電壓和功率應用。  

 

IGBT是新能源汽車高壓系統的核心器件，其最核心應用為主驅逆變，此外還包括車載充電器 (OBC) 、電池管理系統、車載空調控制系統、轉向等高壓輔助系統。在直流和交流充電樁中，IGBT也有著廣泛應用。在新能源汽車中，MOSFET主要在汽車低壓電器中使用，比如電動座椅調節、電池電路保護、雨刷器的直流電機、LED照明系統等。  

 

在國產化進程上華潤微、士蘭微、新潔能、捷捷微電的MOSFET ，以及比亞迪微電子、斯達半導體、士蘭微的IGBT進入與國際10大原廠混戰的階段，具備局部優勢。  

 

關注原理、關注參數、關注應用，是元器件選型三要素。

 

來源：我愛方案網  鏈接：https://www.52solution.com/