IGBT與功率MOSFET的差異:使用時機比較

兩者都是具備絕緣閘極的電壓控制功率開關,但電流的流動方式不同。功率MOSFET以單一種載子導通電流,作用如同電阻,因此在低〜中等電壓下快速而有效率。IGBT加上雙極性的輸出級,讓載子大量湧入,因此在高電壓與大電流下導通損耗也小,但關斷較慢。選擇的準則是:數百伏特以下的電壓或高頻率用MOSFET,高電壓、大功率用IGBT。

項目功率MOSFETIGBT
結構單極性。僅由多數載子,以MOS閘極控制以MOS閘極驅動雙極性的輸出級。電子與電洞都參與
一般的耐壓範圍數V到約900 V(矽)。SiC的MOSFET可達數kV約600 V到數kV
導通狀態的損耗電阻性(RDS(on))。耐壓提高時急遽增大大致固定的飽和電壓(約1.5〜3 V)。高電壓、大電流時損耗小
切換速度快。數十〜數百kHz,甚至更高較慢。通常至數十kHz
關斷時的尾電流無有。因為儲存的少數載子,電流會短暫持續流動
本體二極體內建無。在封裝中另外加入反向並聯二極體
並聯容易。溫度上升時導通電阻增加,使電流分散可行,但需要更加留意
閘極驅動電壓驅動。每次切換都要供給閘極電荷電壓驅動。通常約15 V
主要用途切換式電源、DC-DC轉換器、充電器、低電壓的馬達驅動電動車的逆變器(矽IGBT)、工業用馬達驅動、鐵路、焊接、電力系統設備

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

功率MOSFET
切換頻率高,且電壓不是那麼高時。電源、轉換器、電池驅動的馬達驅動等。
IGBT
電壓與電流大,頻率為中等時。驅動用逆變器、工業用驅動器、重型機械等。
趨勢
SiC的MOSFET正逐漸進入IGBT的應用範圍。因為它能兼顧高電壓、高速切換與低損耗。

常見問題

什麼時候IGBT比MOSFET更合適?

高電壓、大電流(大約600 V以上),且切換頻率為中等時。IGBT導通時的電壓低且大致固定,因此損耗小。

為什麼IGBT的關斷較慢?

因為關閉閘極後,由於儲存的少數載子,電流仍會短暫持續流動。這個尾電流限制了切換頻率。

IGBT有本體二極體嗎?

沒有。為了讓反向電流流通,要在封裝中另外加入反向並聯二極體。

SiC的MOSFET正在取代IGBT嗎?

在部分領域是的。SiC的MOSFET能兼顧高電壓、高速切換與低損耗,因此已進入電動車逆變器等IGBT的部分應用範圍。

理解度檢測

關於IGBT的說明,下列何者正確?

  1. A僅具有2個PN接面的2端子元件
  2. B以MOS閘極驅動,並藉由雙極性動作的導電度調變獲得低導通電壓的元件
  3. C照光即導通的閘流體
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正確答案:B. 以MOS閘極驅動,並藉由雙極性動作的導電度調變獲得低導通電壓的元件

IGBT是結合MOSFET的輸入部與雙極性電晶體的輸出部的元件,結構上在汲極側加上p+層。由於可用電壓驅動,驅動電路簡單;導通時,從p+層注入的電洞會大幅降低漂移層的電阻(導電度調變),因此即使在600 V~6.5 kV的高耐壓下,也能降低導通電壓。它是EV、鐵路、工業用逆變器的主力,但因為有尾電流,不適合高頻。

關於矽MOSFET與IGBT的一般使用區分,下列何者正確?

  1. AMOSFET適合較低電壓的高速切換,IGBT適合數百V以上的高電壓、大電流
  2. BIGBT適合低電壓、小電流,MOSFET適合高電壓、大電流
  3. C兩者只能用於相同的用途
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正確答案:A. MOSFET適合較低電壓的高速切換,IGBT適合數百V以上的高電壓、大電流

矽MOSFET僅以多數載子運作,因此速度快,但耐壓一高導通電阻就急遽增大,所以大致用於數百V以下,尤其是低電壓的電源。IGBT藉由導電度調變,即使高耐壓也能將導通電壓維持得低,適合600 V以上的大電流用途(EV、工業用逆變器、鐵路),但因尾電流而偏慢。如今在這中間~高耐壓的領域,SiC MOSFET正逐漸取代兩者。

IGBT在截止時,因累積的少數載子而使電流不會立即變為0、而是拖著尾巴般持續流通的現象稱為什麼?

  1. A突入電流
  2. B尾電流
  3. C暗電流
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正確答案:B. 尾電流

IGBT在導通時會向漂移層注入少數載子(電洞)以降低電阻,因此截止時,電流會一直流通到這些載子經由複合或被抽出而消失為止。這就是尾電流;由於它是在電壓已上升的狀態下流通,成為截止損耗增大的主要原因,並將IGBT的切換頻率限制在數十kHz以下。可藉由生命週期控制或場截止結構來縮短它。MOSFET則沒有這種現象。

  1. 雙極性電晶體與MOSFET在控制上的差異,下列何者正確?
  2. 將功率MOSFET多個並聯後容易使用,關於其原因中導通電阻的溫度相依性,下列說明何者正確?
  3. 在驅動SiC MOSFET或IGBT時,有時會在截止時對閘極施加負電壓(例如 −3~−5 V),其主要理由為下列何者?

前往功率半導體的練習題

相關名詞的解說

IGBT
絕緣閘極雙載子電晶體。以 MOS 閘極驅動,藉由導電度調變,即使在高耐壓下也能得到較低的導通電壓。
功率 MOSFET
能處理大電流與高電壓的 MOSFET。切換速度快,廣泛用於電源電路等。
超接面 MOSFET
在漂移層中交替排列 p 型與 n 型柱的功率 MOSFET。能在維持耐壓的同時提高漂移層的濃度,因此可得到超越矽理論極限的低導通電阻。
閘極驅動器
接收控制電路的訊號,以適當的電壓與足夠的電流驅動功率元件閘極的電路。許多還具有驅動高壓側開關所需的隔離與位準轉換功能。

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