電子設(shè)備正逐漸融入越來越多的產(chǎn)品中。無論產(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)商們開發(fā)了豐富的開關(guān)器件供各種應(yīng)用選擇。如今電力電子的趨勢是使用半導(dǎo)體開關(guān)器件來整流、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)體開關(guān)器件技術(shù)為確定特定設(shè)計的最佳選擇提供了基礎(chǔ)。

本文概述了三種可用開關(guān)技術(shù)的結(jié)構(gòu)、主要特征及其操作差異，并提供了多個通常指定這些設(shè)備的應(yīng)用實例。此外，還將介紹Bourns新推出的IGBT組件，這些組件專為高電壓、高功率開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計，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)變推動了各個層面上對能源使用的日益關(guān)注，這可以從電力開關(guān)效率的組件層面開始。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)體開關(guān)器件來提高效率。

· 從小型家用電動機到大型工業(yè)和汽車電動機

· 不間斷電源(UPS)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為50/60赫茲

· 家用電器中的電動機驅(qū)動和開關(guān)(例如，制冷壓縮機、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，以用于烹飪和工業(yè)應(yīng)用

· 高功率D類音頻放大器

· 焊接H橋逆變器

這些應(yīng)用通常在高電壓和高功率下運行。在過去的電力電子開關(guān)設(shè)備可能適用于的解決方案，可能無法滿足今天更嚴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)動方式。BJT由電流驅(qū)動，而MOSFET和IGBT則由電壓驅(qū)動。這是本文中一個重要的區(qū)分點。

BJT（雙極型晶體管）

可以簡單地將BJT視為兩個反向連接的二極管，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，表明進入和離開設(shè)備的電流相等?；鶚O電流的微小變化會導(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)計師中獲得了最多的關(guān)注。與BJT類似，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更常用于負載開關(guān)、高側(cè)開關(guān)及其他類似應(yīng)用。MOSFET相對于BJT的優(yōu)點包括高輸入阻抗、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。由于其更小的體積和更快的開關(guān)能力，MOSFET在過去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。當施加的電壓使電子被吸引到柵絕緣膜下的p型層時，會形成一個反轉(zhuǎn)層。具體來說，p型層的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閚型區(qū)域。這個反轉(zhuǎn)層形成了從漏極到源極的n型導(dǎo)電通道，從而以低電阻運行。施加的Vds決定漏電流，以及負載。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，形成了單一設(shè)備。輸入本質(zhì)上是一個電壓控制的MOSFET柵極，具有高輸入阻抗。

設(shè)計中BJT部分的輸出級提供非常高的功率增益和輸出電流流動。最常見的IGBT類型是擊穿型(PT)和非擊穿型(NPT)。最近，開發(fā)人員還引入了技術(shù)增強，如場停止(FS)、溝槽柵和集成二極管(也稱為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的工作類似于MOSFET，其Rbe值(見圖4)被設(shè)置為使IGBT不導(dǎo)通。向N通道MOSFET的柵極施加“開啟”信號會引入導(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?；鶚O電流降低了MOSFET的“開啟”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導(dǎo)致電子流向柵極。

一旦電壓達到或超過閾值電壓，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。當電子從發(fā)射極流向集電極時，襯底中的正離子被吸引向漂移區(qū)。

IGBT通常用于易于驅(qū)動的軟開關(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提供了低開關(guān)損耗的優(yōu)勢，而在后者中，IGBT提供了所需的高擊穿能力。

MOSFET與IGBT的對比

在三種半導(dǎo)體開關(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)計的贏家。IGBT被認為是MOSFET柵極和BJT電流輸出優(yōu)點的最佳結(jié)合，但在一些領(lǐng)域MOSFET表現(xiàn)更優(yōu)。具體來說，由于IGBT是少數(shù)載流子器件，雙極部分中電子的運動導(dǎo)致尾電流，減慢了設(shè)備關(guān)閉速度。這限制了IGBT的開關(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間的限制。

IGBT相比于功率MOSFET和BJT具有優(yōu)勢。它具有非常低的“開啟”狀態(tài)電壓降和更好的“開啟”狀態(tài)電流密度。這使得其設(shè)計可以更小，從而有可能降低生產(chǎn)成本。驅(qū)動IGBT非常簡單，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)工作時也能更容易平衡集電電流。Vce_sat特性意味著當集電電流正向流動時會產(chǎn)生電壓降。MOSFET的小電壓降在低電流應(yīng)用中占優(yōu)勢，而IGBT在高電流應(yīng)用中優(yōu)于MOSFET。低電壓MOSFET的“開啟”電阻遠低于IGBT。這些因素使得MOSFET在大約100 kHz且低電流密度下的開關(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IGBT。與這些操作差異相關(guān)的是效率問題。

熱量與功率

MOSFET的正向特性強烈依賴于溫度，這在溫度升高時造成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。這會增加額外費用，并要求額外的板空間和設(shè)計組件，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可能會因長時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，過多的電流集中可能導(dǎo)致熱點內(nèi)及周圍的單元失去柵極控制，開啟BJT并最終損壞設(shè)備。

能量與效率

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

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的長期限制。

IGBT具有優(yōu)越的效率和較低的可聽噪聲。它可以針對低導(dǎo)通和低開關(guān)損耗進行優(yōu)化。IGBT中的損耗主要來自開關(guān)損耗，這遠低于MOSFET的損耗。在IGBT中，開啟能量Eon是一個貢獻因素，但關(guān)閉能量Eoff是主導(dǎo)因素。如果IGBT中存在二極管，則其開關(guān)損耗也必須計入總能量損耗。

將IGBT投入應(yīng)用

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

圖5是一個電動機驅(qū)動電路。這里，IGBT切換逆變器電路，實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，以驅(qū)動電動機。在家電、工業(yè)和汽車電動機中使用IGBT有助于提高其效率。

圖6展示了一個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包含兩個感應(yīng)加熱電路的圖示。在一個中，感應(yīng)加熱依賴于LC諧振實現(xiàn)零電壓開關(guān)。在另一個中，它依賴LC諧振實現(xiàn)零電流開關(guān)。這兩種情況都旨在減少開關(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成為理想的開關(guān)選擇。這兩個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)驗法則

在比較和了解各種半導(dǎo)體開關(guān)器件后，一些通用的經(jīng)驗法則可以幫助總結(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的改進性能：

· 能夠承受過載

· 并聯(lián)電流能力

· 更平滑的關(guān)閉和開啟波形

· 減少電磁干擾(EMI)

· 更低的“開啟”狀態(tài)導(dǎo)電損失和開關(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，必須密切考慮其穩(wěn)健性、熱容量、開關(guān)頻率和二極管性能。由于設(shè)備參數(shù)會引入獨特的功率損耗，因此效率會根據(jù)應(yīng)用有所權(quán)衡。

IGBT的優(yōu)勢

如本文所示，IGBT相較于其他電力開關(guān)組件(包括MOSFET)具有許多優(yōu)勢。在大多數(shù)供電電壓超過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。這減少了散熱器的需求，并簡化了熱設(shè)計。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)。這是因為IGBT具有比類似額定MOSFET更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。過載耐久性得到改善，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)過驗證，具有巨大的未來潛力。IGBT的損耗主要由導(dǎo)電損耗主導(dǎo)，但它們在邊際較高的Vce_sat和顯著降低的Eoff下仍能表現(xiàn)良好。