EV和充电桩:IGBT和MOSFET工程选型9个异同点

EV和充电桩将成为IGBT和MOSFET最大单一产业链市场!俄乌战争加速了EV产业链发展,去化石燃料、保护国家安全,以及碳达峰和碳中和目标制约协同各国促进EV产业链加速发展。

前言
EV和充电桩将成为IGBT和MOSFET最大单一产业链市场!俄乌战争加速了EV产业链发展,去化石燃料、保护国家安全,以及碳达峰和碳中和目标制约协同各国促进EV产业链加速发展。EV中的电机控制系统、引擎控制系统、车身控制系统均需使用大量的半导体功率器件,它的普及为汽车功率半导体市场打开了增长的窗口。充电桩中决定充电效率和能量转化的关键元件是IGBT和MOSFET。在各类半导体功率器件中,未来增长最强劲的产品将是MOSFET与IGBT模块。

EV和充电桩:IGBT和MOSFET工程选型9个异同点

图:中国IGBT市场供需数据,我爱方案网汇总

为了帮助工程师选型,特别是中控人机界面方案商的工程师(熟悉通信互联,并不熟悉执行部分和元器件构成),本文提供IGBT和MOSFET基础知识和工程选型要领。一般认为IGBT个大功率大,MOSFET适合开关和小电流驱动,其实IGBT与MOSFET有9大异同点,我们一起来看看。

01
IGBT与MOSFET的分类与异同点
IGBT全称是绝缘栅极型功率管,是由双极型三极管 (BJT) 和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式半导体功率器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件,具有开关速度快、易于驱动、损耗低等优势。MOSFET和IGBT均为集成在单片硅上的固态半导体器件,且都属于电压控制器件。另外,IGBT和MOSFET在栅极和其他端子之间都有绝缘,两种器件全部具有较高的输入阻抗。在应用中,IGBT和MOSFET都可以用作静态电子开关。

在结构上,MOSFET和IGBT看起来非常相似,实则不同。IGBT由发射极、集电极和栅极端子组成,而MOSFET由源极、漏极和栅极端子组成。IGBT的结构中有PN结,MOSFET没有任何PN结。

IGBT与MOSFET有9大异同点:

在低电流区,MOSFET的导通电压低于IGBT,这也是它的优势。不过,在大电流区IGBT的正向电压特性优于MOSFET。此外,由于MOSFET的正向特性对温度具有很强的正向依赖性,因此,IGBT的高温特性更好,导通电压比MOSFET低。

IGBT适用于中到极高电流的传导和控制,而MOSFET适用于低到中等电流的传导和控制。

IGBT不适合高频应用,它能在千Hz频率下运行良好。MOSFET特别适合非常高频的应用,它可以在兆Hz频率下运行良好。

IGBT的开关速度比较低,MOSFET开关速度非常高。

IGBT可以承受非常高的电压以及大功率,MOSFET仅适用于低至中压应用。

IGBT具有较大的关断时间,MOSFET的关断时间较小。

IGBT可以处理任何瞬态电压和电流,但当发生瞬态电压时,MOSFET的运行会受到干扰。

MOSFET器件成本低,价格便宜,而IGBT至今仍属于较高成本器件。

IGBT适合高功率交流应用,MOSFET适合低功率直流应用。

EV和充电桩:IGBT和MOSFET工程选型9个异同点

图:IGBT vs MOSFET结构图示

上述这些差别,在应用上MOSFET和IGBT各有侧重点。通常,MOSFET的额定电压约为600V,而IGBT的额定电压能够达到1400V。从额定电压角度看,IGBT主要用于更高电压的应用。从工作频率角度看,IGBT通常在低于20kHz的开关频率下使用,此时它们比单极性MOSFET具有更高的开关损耗。

对于低频 (小于20kHz) 、高压 (大于1000V) 、小或窄负载或线路变化、高工作温度,以及超过5kw的额定输出功率应用,IGBT是首选。而MOSFET更适合低电压 (小于250V) 、大占空比和高频 (大于200KHz) 的应用。

EV和充电桩:IGBT和MOSFET工程选型9个异同点

图:不同类型晶体管的性能比较

02
MOSFET特别适合高频开关应用
作为电源开关,选择的MOSFET应该具有极低的导通电阻、低输入电容 (即Miller电容) 以及极高的栅极击穿电压,这个数值甚至高到足以处理电感产生的任何峰值电压。另外,漏极和源极之间的寄生电感也是越低越好,因为低寄生电感可将开关过程中的电压峰值降至最低。MOSFET的优点决定了它非常适合高频且开关速度要求高的应用。在开关电源 (SMPS) 中,MOSFET的寄生参数至关重要,它决定了转换时间、导通电阻、振铃 (开关时超调) 和背栅击穿等性能,这些都与SMPS的效率密切相关。

对于门驱动器或者逆变器应用,通常需要选择低输入电容 (利于快速切换) 以及较高驱动能力的MOSFET。

03
IGBT适合高压大电流应用
与MOSFET相比,IGBT开关速度较慢,关断时间较长,不适合高频应用。IGBT的主要优势是能够处理和传导中至超高电压和大电流,拥有非常高的栅极绝缘特性,且在电流传导过程中产生非常低的正向压降,哪怕浪涌电压出现时,IGBT的运行也不会受到干扰。

在实际应用中,逆变技术对IGBT的参数要求并不是一成不变的,对IGBT的要求各不相同。

综合来看,下面这些参数在IGBT的选择中是至关重要的。

一是额定电压,在开关工作的条件下,IGBT的额定电压通常要高于直流母线电压的两倍。

二是额定电流,由于负载电气启动或加速时,电流过载,要求在1分钟的时间内IGBT能够承受1.5倍的过流。

三是开关速度。

四是栅极电压,IGBT的工作状态与正向栅极电压有很大关系,电压越高,开关损耗越小,正向压降也更小。

  小  结  
IGBT和MOSFET是电力电子装置实现电能转换、电路控制的核心器件。MOSFET工作频率达到了兆Hz级,IGBT在大功率化和高频化之间找到了市场突破点。在不间断电源 (UPS) 、工业逆变器、功率控制、电机驱动、脉宽调制 (PWM) 、开关电源 (SMPS) 等开关应用中,MOSFET和IGBT因其具有的优越特性,在性能上明显优于其他开关器件。其中,MOSFET主要用于较低的电压和功率系统,而IGBT更适合较高的电压和功率应用。

IGBT是新能源汽车高压系统的核心器件,其最核心应用为主驱逆变,此外还包括车载充电器 (OBC) 、电池管理系统、车载空调控制系统、转向等高压辅助系统。在直流和交流充电桩中,IGBT也有着广泛应用。在新能源汽车中,MOSFET主要在汽车低压电器中使用,比如电动座椅调节、电池电路保护、雨刷器的直流电机、LED照明系统等。

在国产化进程上华润微、士兰微、新洁能、捷捷微电的MOSFET ,以及比亚迪微电子、斯达半导体、士兰微的IGBT进入与国际10大原厂混战的阶段,具备局部优势。

关注原理、关注参数、关注应用,是元器件选型三要素。

来源:我爱方案网 链接:https://www.52solution.com/

本文来自投稿,不代表乾坤芯立场,如若转载,请注明出处:https://www.qiankunxin.com/4894.html

(0)
上一篇 2022年6月27日 下午3:39
下一篇 2022年6月27日 下午3:47

相关推荐

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。