MOSFET против IGBT: характеристики, структура и анализ рынка

С развитием новой энергетики в последние годы рыночный спрос на МОП-транзисторы и БТИЗ резко возрастает. Обычно они используются в качестве переключающих устройств и широко используются в электронных схемах. МОП-транзисторы и IGBT относительно схожи по внешнему виду и характеристикам. Так в чем же разница между MOSFET и IGBT?

Каталог

Ⅰ Что такое МОП-транзистор?

Ⅱ Что такое IGBT?

Ⅲ Структура MOSFET и IGBT

Ⅳ МОП-транзисторы или IGBT. Какой из них нам следует использовать?

Ⅴ Идентификация MOSFET и IGBT

Ⅵ Анализ рынка MOSFET и IGBT

Ⅰ Что такое МОП-транзистор?

Существует два основных типа полевых транзисторов соответственно: JFET и MOSFET .

MOSFET — полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. Поскольку затвор этого полевого транзистора изолирован изолирующим слоем, его еще называют полевым транзистором с изолированным затвором.

МОП-транзисторы также можно разделить на четыре категории:

①Режим истощения N-канала;

②Режим улучшения N-канала;

③Режим истощения P-канала;

④Режим улучшения P-канала.

Типы МОП-транзисторов и обозначения схем

Некоторые МОП-транзисторы имеют внутри диод , который является корпусным диодом, паразитным диодом или диодом, продолжающим ток.

Есть два объяснения роли паразитного диода.

Роль паразитного диода МОП-транзистора заключается в предотвращении ситуации перенапряжения VDD, сгоревшего МОП-транзистора. Поскольку обратный пробой диода до того, как перенапряжение вызвало повреждение полевого МОП-транзистора, высокий ток попадает непосредственно на землю, что позволяет избежать выгорания полевого МОП-транзистора.

МОП-транзисторы имеют высокий входной импеданс, высокую скорость переключения, хорошую термическую стабильность, ток управления напряжением и другие характеристики. В схеме МОП-транзистор может использоваться в качестве усилителя, электронного переключателя и для других целей.

Ⅱ Что такое IGBT?

IGBT ( биполярный транзистор с изолированным затвором ) представляет собой составное полупроводниковое устройство , состоящее из кристаллического триода и МОП-транзистора.

Являясь новым типом электронных полупроводниковых устройств, IGBT обладает характеристиками: высоким входным сопротивлением, низким энергопотреблением для контроля напряжения, простой схемой управления, высоким сопротивлением напряжению, выдержкой большого тока и т. д. Он широко используется в различных электронных схемах. .

IGBT и символ схемы

Обозначение схемы IGBT до сих пор не унифицировано, а обозначение триода и MOSFET обычно заимствовано при рисовании принципиальных схем, о чем можно судить по номеру модели, обозначенному на принципиальной схеме как IGBT или MOSFET.

В то же время следует также обратить внимание на то, есть ли у IGBT внутренний диод. То, что не отмечено на схеме, не обязательно означает, что его нет. Этот диод присутствует, если иное не указано в официальных данных.

паразитный диод

Корпусной диод внутри IGBT не является паразитным, а специально настроен для защиты хрупкого обратного выдерживаемого напряжения IGBT. Он также известен как FWD (обратный диод).

Определить, есть ли FWD внутри IGBT, несложно, можно с помощью мультиметра измерить полюса C и E IGBT. Если IGBT исправен и полюсы C и E измеряют бесконечное сопротивление, это означает, что у IGBT нет внутреннего диода.

IGBT очень подходит для таких применений, как двигатели переменного тока, инверторы, импульсные источники питания, цепи освещения, тяговые приводы и другие области.

Ⅲ Структура MOSFET и IGBT

Внутренняя структура MOSFET и IGBT показана на рисунке ниже.

внутренняя структура MOSFET и IGBT

IGBT создается путем добавления дополнительного слоя к стоку MOSFET.

Идеальная эквивалентная схема IGBT показана на рисунке ниже. IGBT на самом деле представляет собой комбинацию MOSFET и транзисторного триода. МОП-транзистор имеет недостаток высокого сопротивления в открытом состоянии, но IGBT преодолевает этот недостаток, и IGBT по-прежнему имеет низкое сопротивление в открытом состоянии при высоком напряжении.

Идеальная эквивалентная схема IGBT

Кроме того, если IGBT и MOSFET имеют одинаковую мощность, IGBT может работать медленнее, чем MOSFET, поскольку у IGBT есть время сопротивления. Из-за длительного времени выключения IGBT мертвое время также увеличивается, что влияет на частоту переключения.

Ⅳ МОП-транзисторы или IGBT. Какой из них нам следует использовать?

В схеме выбор MOSFET или IGBT в качестве лампы переключения мощности является распространенной проблемой, с которой сталкиваются инженеры. Исходя из напряжения системы, тока, коммутируемой мощности и других факторов, мы можем резюмировать следующие моменты.

Характеристики применения MOSFET и IGBT

На следующей диаграмме также можно увидеть условия использования обоих. Заштрихованная область означает, что можно выбрать МОП-транзисторы и БТИЗ, "?" указывает на то, что текущий процесс еще не способен достичь уровня.

Общие области применения МОП-транзисторов и IGBT

В целом МОП-транзисторы имеют хорошие высокочастотные характеристики. Его рабочая частота может достигать сотен кГц или даже МГц. Недостаток заключается в том, что сопротивление во включенном состоянии велико, а энергопотребление велико при высоком напряжении и сильном токе. 100 кГц — почти лучший рабочий предел IGBT. IGBT имеет отличные характеристики при низкой частоте и высокой мощности. Сопротивление включения небольшое, а выдерживаемое напряжение высокое.

Наконец, если электронным компонентам необходимо выполнять высокоскоростное переключение, МОП-транзисторы имеют абсолютное преимущество, главным образом из-за интеграции биполярного транзистора в IGBT. У самого BJT есть проблема со временем хранения заряда, то есть во время выключения это занимает больше времени, в результате чего высокоскоростное переключение не может быть выполнено.

МОП-транзисторы используются в импульсных источниках питания, балластах, высокочастотном индукционном нагреве, высокочастотных инверторных сварочных аппаратах, источниках питания связи, портативных аккумуляторных батареях и других высокочастотных источниках питания; IGBT используются в сварочных машинах, инверторах, инверторах, электролитических источниках питания для гальваники, индукционном нагреве суперзвука, электродвигателях, автомобильных аккумуляторах и других областях.

Ⅴ Идентификация MOSFET и IGBT

MOSFET и IGBT — это электронные компоненты с высокой частотой использования. Они очень похожи по внешнему виду и статическим параметрам. Некоторые электронные продукты обладают технологической монополией, и иногда их модели стираются из схемы. В настоящее время до сих пор не существует единого стандарта наименования MOSFET и IGBT. И внешний вид, и расположение контактов у них схожие. Умение различать и судить становится необходимым средством.

Идентификация демпфированного IGBT типа NPN и улучшенной N-канальной трубки MOMS: демпфированный IGBT типа NPN и улучшенная N-канальная лампа MOMS имеют одинаковое положение затвора. Полюс C IGBT соответствует полюсу D трубки MODS. Положение полюса e IGBT соответствует положению полюса S трубки MODS. Судить и отличать хорошее от плохого можно с помощью динамических и статических методов измерения.

Статическое измерение для различения MOSFET и IGBT

Сначала мы закоротим контакты двух трубок, чтобы снять статическое электричество.

Между полюсом D и полюсом S MOSFET имеется PN-соединение. Прямое проведение и обратный конец. Итак, Rgd=Rgs=Rds=бесконечность, Rsd=несколько тысяч Ом.

Сопротивление от полюса G до полюсов c и e IGBT должно быть бесконечным, то есть Rgc=Rge=бесконечность, а между IGBT имеется демпфирующий диод, поэтому он имеет характеристики обратной отсечки однонаправленной проводимости, то есть Rce=бесконечность, Rec= несколько тысяч Ом.

Отсюда вы можете использовать только файл сопротивления мультиметра, чтобы судить о качестве трубки, но вы не можете сказать, какой это тип трубки. Измеренное значение сопротивления очень мало, что указывает на то, что трубка сломана, а измеренное значение сопротивления очень велико, что указывает на то, что внутренняя цепь трубки разомкнута.

Динамическое измерение для различения MOSFET и IGBT

Сначала с помощью мультиметра подайте напряжение на сетку трубки, чтобы полевая трубка установила канал. Затем измерьте сопротивление между D, S и c, e и различите MOSFET и IGBT по разнице сопротивлений.

Используйте профиль сопротивления мультиметра для измерения сопротивления между D, S, c и e двух трубок. Поскольку в полевой трубке уже установлен канал, Rds=Rsd≈0. Между Rce, сопротивлением открытого состояния транзистора в усиленном состоянии, и Rec — сопротивлением открытого состояния внутреннего демпфирующего диода имеется сопротивление Rce, оба значения которых составляют несколько тысяч Ом.

Следовательно, согласно измерениям, степень проводимости двух трубок различна, а значение сопротивления между D и S MOSFET намного меньше, чем значение сопротивления между IGBTc и e, поэтому можно отличить MOS и IGBT.

Ⅵ Анализ рынка MOSFET и IGBT

Силовые полупроводники являются основой преобразования электрической энергии и управления цепями в электронных устройствах. В основном они используются для изменения напряжения и частоты в электронных устройствах, преобразования постоянного тока в переменный и т. д.

По сути, силовые полупроводники можно разделить на две категории: силовые дискретные и силовые интегральные схемы (Power IC).

MOSFET и IGBT в основном используются для преобразования тока, генерируемого энергетическим оборудованием с различными напряжениями и частотами, в токи с определенными электрическими параметрами посредством серии преобразований и модуляции для питания различных оконечных электронных устройств.

На мировом рынке силовых полупроводников наибольшая доля приходится на промышленный контроль, на долю которого приходится 34%, за ним следуют автомобильный сектор и сектор связи, на которые приходится по 23%, на бытовую электронику приходится 20%.

В последние годы сфера применения силовых полупроводников расширилась от промышленного управления и бытовой электроники до новых рынков энергетики, железнодорожного транспорта, интеллектуальных сетей, инверторных бытовых приборов и других рынков. По прогнозу IHS Markit, объем мирового рынка силовых компонентов в 2018 году составит около 39,1 млрд долларов США. Предполагается, что объем рынка вырастет до 44,1 миллиарда долларов США в 2021 году при совокупном годовом темпе роста 4,1%.

IC Insights отмечает, что среди различных типов полупроводниковых силовых компонентов наиболее многообещающими продуктами в будущем будут МОП-транзисторы и IGBT-модули.

MOSFET - это полевой кристалл, который может широко использоваться в аналоговых и цифровых схемах, обладающий преимуществами низкого сопротивления в открытом состоянии, низких потерь, простой схемы управления и хороших характеристик термического сопротивления. Он подходит для ПК, мобильных телефонов, мобильных устройств, автомобильной навигации, электромобилей, источников бесперебойного питания и других областей управления питанием.

В 2016 году объем мирового рынка МОП-транзисторов достиг 6,2 миллиарда долларов, и, по оценкам, к 2022 году объем мирового рынка МОП-транзисторов приблизится к 7,5 миллиардам долларов, а совокупный годовой темп роста достигнет 3,4% между ними.

IGBT — это составное полупроводниковое силовое устройство, состоящее из транзистора с двойной несущей (BJT) и MOSFET. Благодаря преимуществам высокого входного сопротивления MOSFET и низкого сопротивления открытого состояния BJT, IGBT идеально подходят для систем переменного тока с напряжением постоянного тока 600 В и выше, таких как двигатели переменного тока, инверторы, импульсные источники питания, цепи освещения, тяговые приводы, и т. д.

Источник: IHS, Secondary, MOSFET и IGBT по стоимости (миллиарды долларов).

Поскольку требования потребителей к эффективности зарядки постепенно возрастают, зарядка мобильных телефонов имеет режим быстрой зарядки, что означает, что зарядка с высоким током и высокой мощностью может быть достигнута за счет увеличения напряжения. Однако высокое напряжение имеет проблемы с безопасностью, и его необходимо регулировать путем добавления выпрямительных МОП-транзисторов.

Позже появился более безопасный режим мгновенной зарядки, в основном для достижения высокоскоростной зарядки за счет низкого напряжения и большого тока, что предъявляло более высокие требования к МОП-транзисторам синхронного выпрямления.

С другой стороны, это изменения в автомобильной промышленности. В настоящее время развитие автомобильной промышленности перешло от традиционных автомобилей к электромобилям. Наибольшую выгоду от роста автомобильной электроники получают силовые полупроводники. В традиционных транспортных средствах, работающих на топливе, силовые полупроводники в основном используются в таких областях, как запуск, остановка и безопасность, на их долю приходится лишь 20%. В традиционном автомобиле стоимость силового компонента составляет около 70 долларов США, исходя из стоимости полупроводникового велосипеда в 350 долларов США.

Но переходя в поколение электромобилей, его аккумуляторные силовые модули требуют большого количества силового оборудования, а силовое оборудование содержит силовые полупроводники. На силовые компоненты гибридных автомобилей приходится 40%, а на силовые компоненты чисто электромобилей — 55%. Согласно расчету стоимости полупроводника для одного автомобиля в чистом электромобиле в 750 долларов США, стоимость силового полупроводника составляет около 413 долларов США, что примерно в 6 раз превышает стоимость традиционного автомобиля.

Frequently Asked Questions

1.Что лучше MOSFET или IGBT?

По сравнению с IGBT, силовой МОП-транзистор имеет преимущества более высокой скорости коммутации и большей эффективности при работе при низких напряжениях. Более того, он может выдерживать высокое блокирующее напряжение и поддерживать высокий ток. Это связано с тем, что большинство структур силовых МОП-транзисторов являются вертикальными (а не плоскими).

2.Может ли МОП-транзистор заменить IGBT?

Из-за более высокой полезной плотности тока IGBT они обычно могут выдерживать в два-три раза больший ток, чем типичный MOSFET, который он заменяет. Это означает, что одно IGBT-устройство может заменить несколько МОП-транзисторов, работающих параллельно, или любой из сверхбольших одномощных МОП-транзисторов, доступных сегодня.