電子設備正逐漸融入越來越多的產品中。無論產品是便攜式還是固定式，大多數電子設備都需要高效地將電能(或開關)從一種形式轉換為另一種形式。為此，采用了電力電子技術，供應商們開發了豐富的開關器件供各種應用選擇。如今電力電子的趨勢是使用半導體開關器件來整流、切換和控制電壓和電流。

隨著二極管、晶閘管、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)解決方案的選擇擴展，了解如何區分它們變得尤為重要。研究一些流行的半導體開關器件技術為確定特定設計的最佳選擇提供了基礎。

本文概述了三種可用開關技術的結構、主要特征及其操作差異，并提供了多個通常指定這些設備的應用實例。此外，還將介紹Bourns新推出的IGBT組件，這些組件專為高電壓、高功率開關應用而設計，包括高電壓系統中的高電流切換。

為什么需要新的解決方案

向清潔能源形式的轉變推動了各個層面上對能源使用的日益關注，這可以從電力開關效率的組件層面開始。盡管以下列出的應用并未覆蓋所有情況，但其中一些應用使用半導體開關器件來提高效率。

· 從小型家用電動機到大型工業和汽車電動機

· 不間斷電源(UPS)逆變器將直流電轉換為50/60赫茲

· 家用電器中的電動機驅動和開關(例如，制冷壓縮機、感應烹飪表面、空調風扇和取暖器的繼電器替換)

· 在高能物理中產生高功率脈沖

· 交流到交流和交流到直流系統的電力轉化

· 在感應加熱系統中控制電流流動，以用于烹飪和工業應用

· 高功率D類音頻放大器

· 焊接H橋逆變器

這些應用通常在高電壓和高功率下運行。在過去的電力電子開關設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規范。

三大技術

值得探討的三種技術是雙極結晶體管(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、發射極和基極;MOSFET有柵極、源極和漏極;IGBT有集電極、柵極和發射極。根本上的最大區別在于這些半導體器件的驅動方式。BJT由電流驅動，而MOSFET和IGBT則由電壓驅動。這是本文中一個重要的區分點。

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，構成PN到NP或NP到PN的配置，從而形成PNP或NPN結。BJT成為一個三端半導體器件，第一層為發射極，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，即共發射極。在此配置中，發射極接地，輸出從集電極和發射極之間獲取。BJT的共發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，表明進入和離開設備的電流相等。基極電流的微小變化會導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在設計師中獲得了最多的關注。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-直流轉換器和逆變器設備等應用中很受歡迎，而P通道MOSFET更常用于負載開關、高側開關及其他類似應用。MOSFET相對于BJT的優點包括高輸入阻抗、小的反向傳遞電容、低柵極功耗、寬安全工作區域和易于驅動。由于其更小的體積和更快的開關能力，MOSFET在過去20多年中比BJT更廣泛地應用。

圖2顯示了MOSFET的截面，揭示其結構比BJT稍微復雜。由于電壓驅動的特性，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，會形成一個反轉層。具體來說，p型層的一部分轉變為n型區域。這個反轉層形成了從漏極到源極的n型導電通道，從而以低電阻運行。施加的Vds決定漏電流，以及負載。然而，MOSFET的應用范圍受限于某些應用中規定的電壓水平，特別是在高電流的高壓應用中。

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）

IGBT結合了BJT和MOSFET的優點，形成了單一設備。輸入本質上是一個電壓控制的MOSFET柵極，具有高輸入阻抗。

設計中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，開發人員還引入了技術增強，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)被設置為使IGBT不導通。向N通道MOSFET的柵極施加“開啟”信號會引入導通狀態。

然后電流從發射極流向IGBT第二階段的PNP晶體管的基極。基極電流降低了MOSFET的“開啟”電阻。

IGBT的工作原理與MOSFET非常相似。從發射極到柵極施加正電壓會導致電子流向柵極。

一旦電壓達到或超過閾值電壓，電子將流向柵極形成導電通道，從而允許電流從集電極流向發射極。當電子從發射極流向集電極時，襯底中的正離子被吸引向漂移區。

IGBT通常用于易于驅動的軟開關電路應用，如家用電器和感應加熱，這些應用的電壓范圍為600伏至1800伏，或在硬開關應用中，如600伏的一般逆變器。在前者中，IGBT提供了低開關損耗的優勢，而在后者中，IGBT提供了所需的高擊穿能力。

MOSFET與IGBT的對比

在三種半導體開關器件之間通常需要考慮許多權衡，MOSFET和IGBT通常是支持高電壓和高電流設計的贏家。IGBT被認為是MOSFET柵極和BJT電流輸出優點的最佳結合，但在一些領域MOSFET表現更優。具體來說，由于IGBT是少數載流子器件，雙極部分中電子的運動導致尾電流，減慢了設備關閉速度。這限制了IGBT的開關頻率，因此在高頻應用中，功率MOSFET是更好的選擇。MOSFET的開關頻率受到電子在漂移區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具有優勢。它具有非常低的“開啟”狀態電壓降和更好的“開啟”狀態電流密度。這使得其設計可以更小，從而有可能降低生產成本。驅動IGBT非常簡單，所需功率較低。在高電壓和高電流應用中，相較于由電流控制的BJT，控制IGBT電壓驅動輸入更加容易。IGBT的導通、正向阻斷和反向阻斷能力優于BJT。

IGBT的FS結構具有高溫Vce_sat，即使在并聯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生電壓降。MOSFET的小電壓降在低電流應用中占優勢，而IGBT在高電流應用中優于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電源及其他應用中理想。而IGBT則是在高電流密度下低于20 kHz的交流驅動中優越的解決方案。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動IGBT。與這些操作差異相關的是效率問題。

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具有結溫限制，必須密切注意數據表中規定的最大結溫。

MOSFET通常需要附近有散熱器以散發熱量。這會增加額外費用，并要求額外的板空間和設計組件，即使將散熱器視為熱阻和電容的網絡。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條件受到損壞。如果在柵區域形成熱點，過多的電流集中可能導致熱點內及周圍的單元失去柵極控制，開啟BJT并最終損壞設備。

能量與效率

IGBT的配置隨著溝槽柵場停止(TGFS)技術的演變和改進而發展。在IGBT中植入反向發射極和場停止，可以更好地控制動態行為。Vce_sat與Eoff的權衡曲線也通過溝槽結構得到了增強。

這允許更薄的芯片，從而增加了單元密度。這導致更低的導通和開關損耗、顯著提高的穩健性和顯著降低的熱阻。熱阻是MOSFET的長期限制。

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

將IGBT投入應用

盡管與上述三種組件的設計可能存在一些相似性，但現在是時候審視一些以IGBT作為電力開關的設計。以下應用旨在展示IGBT的高電壓和高電流特性。

圖5是一個電動機驅動電路。這里，IGBT切換逆變器電路，實現直流到交流的轉換，以驅動電動機。在家電、工業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。該應用的工作容量為幾千VA或更高，IGBT在整體UPS單元中的應用提高了效率并節省了空間。

圖7包含兩個感應加熱電路的圖示。在一個中，感應加熱依賴于LC諧振實現零電壓開關。在另一個中，它依賴LC諧振實現零電流開關。這兩種情況都旨在減少開關損耗。這些感應加熱應用分別具有高諧振電壓或高諧振電流，使IGBT成為理想的開關選擇。這兩個電路的例子可以在感應爐、感應電飯煲或微波爐中找到。

經驗法則

在比較和了解各種半導體開關器件后，一些通用的經驗法則可以幫助總結它們的差異。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在更高頻率的應用中表現優越。

IGBT在以下方面提供了相較于MOSFET的改進性能：

· 能夠承受過載

· 并聯電流能力

· 更平滑的關閉和開啟波形

· 減少電磁干擾(EMI)

· 更低的“開啟”狀態導電損失和開關損耗

· 更低的熱阻

· 如果需要的話，最小的抑制器

在為特定應用選擇IGBT時，必須密切考慮其穩健性、熱容量、開關頻率和二極管性能。由于設備參數會引入獨特的功率損耗，因此效率會根據應用有所權衡。

IGBT的優勢

如本文所示，IGBT相較于其他電力開關組件(包括MOSFET)具有許多優勢。在大多數供電電壓超過300伏的應用中，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，并簡化了熱設計。由于半導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。這是因為IGBT具有比類似額定MOSFET更低的開關損耗和導通損耗。過載耐久性得到改善，并且在IGBT應用中需要更小的或不需要抑制器。IGBT切換時的波形更柔和，從而導致應用中較低的電磁干擾。

IGBT技術已經成熟且經過驗證，具有巨大的未來潛力。IGBT的損耗主要由導電損耗主導，但它們在邊際較高的Vce_sat和顯著降低的Eoff下仍能表現良好。