IGBT、MOSFET、晶闸管异同点概述

浏览: 作者: 来源: 时间:2019-03-13 分类:行业新闻

功率半导体器件又称为电力电子器件,包括功率分立器件和功率集成电路,用于对电流、电压、频率、相位、相数等进行变换和控制,以实现电能处理,如整流AC/DC、逆变DC/AC、斩波DC/DC、开关、放大等各种功能,是能耐高压或者能承受大电流的半导体分立器件和集成电路,是弱电控制与强电运行间的桥梁。常见的功率半导体器件有金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、晶闸管等,其中最具代表性的是MOSFET和IGBT。


1.金属氧化物半导体场效应晶体管——MOSFET


金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。该器件通过在栅极(G)上施加电压,使得源极(S)和漏极(D)之间导通,当撤去电压或施加负电压,则使得源极(S)和漏极(D)之间断开。


2.绝缘栅双极晶体管——IGBT


IGBT(绝缘栅双极晶体管)是继GTR(巨型晶体管)和MOSFET(场效应晶体管)之后的第三代功率半导体器件,既有场效应晶体管输入阻抗高、开关速度快和驱动电路简单的特性,又有双极型晶体管通态压降低、耐受电压高和电流处理能力强的优点,广泛应用于航天、航空、能源、海洋、汽车、轨道交通等领域,可有效提高整机系统性能(如应用于电机控制可节电30%-40%),是电力电子技术第三次革命最具代表性的产品,也是工业控制和国防领域重要的基础器件。作为能源转换与传输的核心器件,IGBT已成为电力电子装置的“CPU”。


3.晶闸管


晶闸管是晶体闸流管的简称,又被称作可控硅整流器。晶闸管主要用于电力变换与控制,通过微小的信号功率对大功率的电力进行控制,具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、寿命长等优点。晶闸管除了用于整流,还可以作为无触点开关实现电力的逆变和变频等变换。半导体防护器件主要有半导体放电管(TSS)、瞬态抑制二极管(TVS)、静电防护元件(ESD)、高压触发二极管(SIDAC)等,可用于汽车电子、手机、户外安防、电脑主机等各类需要防浪涌冲击、防静电的领域,用于保护电子电路。


4.MOSFET、IGBT、晶闸管异同点分析


MOSFET器件中存在n基极层,n基极层的作用是为了防止在关断的情况下元件被高压击穿。因此需要承受的电压越高,n基极层就越厚,同时会导致电阻越大。为了改善MOSFET的电压耐受性,IGBT在MOSFET的基础上增加一层P+层,与n基极层形成了一个pn二极管。在关断情况下,形成的pn结承受了绝大部份电压,而结构中的IGBT不需要承受高压,因此提高了元件的耐压性能。


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图1.1 MOSFET与IGBT内部结构对比


因此IGBT一般用在高压功率产品上,电压范围一般600V-6500V,电流范围为2A-3600A;MOSFET应用电压相对较低,从十几伏到1000V;由于IGBT的延迟时间大于MOSFET,因此IGBT一般应用在切换频率低于25kHz的场景,而MOSFET可以应用于切换频率大于100kHz的场景。


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图1.2 硅功率半导体器件的工作范围


晶闸管一般应用于3.3kV以上电压、1-45MW超大功率领域。相比全控型的功率半导体分立器件如MOSFET和IGBT,晶闸管是我国半导体分立器件中技术比较成熟的细分产品。此外在普通晶闸管的基础上,已经派生出了单向晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管、高频晶闸管等新型晶闸管,在性能上弥补了普通晶闸管的不足。在功率半导体分立器件市场,晶闸管的价格明显低于MOSFET和IGBT。而且在所有功率半导体分立器件中,晶闸管耐压容量最高(可达12KV以上)、电流容量最大(可达6000A以上),因此在高压直流输电、静止无功补偿、大功率直流电源等领域占有十分重要的地位。