一、MOSFET與IGBT的介紹

場效應(yīng)管主要分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）兩大類型。MOS管，即MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），因柵極被絕緣層隔離，故也被稱為絕緣柵場效應(yīng)管。依據(jù)其結(jié)構(gòu)與工作特性，MOSFET進(jìn)一步可細(xì)分為N溝耗盡型、N溝增強(qiáng)型、P溝耗盡型以及P溝增強(qiáng)型這四大類別。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），中文名稱為絕緣柵雙極型晶體管，是一種由晶體三極管與MOS管結(jié)合而成的復(fù)合型半導(dǎo)體器件。

二、MOSFET與IGBT的特點(diǎn)

（一）MOSFET的特點(diǎn)

MOSFET憑借其高輸入阻抗、快速開關(guān)速度、良好的熱穩(wěn)定性以及通過電壓控制電流等特性，在電子電路領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，常見于放大器、電子開關(guān)等電路設(shè)計(jì)中。

（二）IGBT的特點(diǎn)

IGBT具備高輸入阻抗、電壓控制功耗低、控制電路設(shè)計(jì)簡潔、耐高壓以及承受電流大等諸多優(yōu)勢。這些特性使得IGBT在交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等眾多領(lǐng)域有著出色的表現(xiàn)，成為功率控制與轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。

三、MOSFET與IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

MOS管與IGBT管內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在一定差異，下圖展示了二者的內(nèi)部構(gòu)造。

IGBT的構(gòu)造是在MOSFET的漏極基礎(chǔ)上增加額外的層而形成。從本質(zhì)上看，IGBT實(shí)際上是將MOSFET與晶體管三極管進(jìn)行了有機(jī)組合。盡管MOSFET存在導(dǎo)通電阻相對較高的不足，但I(xiàn)GBT有效克服了這一缺陷，在高壓應(yīng)用場景下，IGBT依然能夠維持較低的導(dǎo)通電阻。

此外，若對比相似功率容量的IGBT與MOSFET，IGBT的開關(guān)速度可能會略遜一籌于MOSFET。這主要是由于IGBT存在關(guān)斷拖尾時(shí)間，而較長的關(guān)斷拖尾時(shí)間會使死區(qū)時(shí)間相應(yīng)延長，進(jìn)而對開關(guān)頻率產(chǎn)生一定影響，限制了其在極高頻應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)揮。

四、MOSFET與IGBT的工作原理

（一）MOSFET的工作原理

MOSFET由源極、漏極以及柵極端子構(gòu)成，其核心工作原理是依據(jù)柵極電壓的變化來調(diào)控漏極與源極之間的電流流通情況。具體而言，當(dāng)柵極電壓呈現(xiàn)正值時(shí)，N型區(qū)會形成導(dǎo)電通道，此時(shí)電流能夠從漏極順利流向源極；反之，若柵極電壓為負(fù)值，則導(dǎo)電通道被切斷，電流也就無法在漏極與源極之間流通。

（二）IGBT的工作原理

IGBT則是由發(fā)射極、集電極以及柵極端子組成，通過控制柵極電壓來實(shí)現(xiàn)對集電極與發(fā)射極之間電流的有效控制。當(dāng)柵極電壓為正時(shí)，P型區(qū)中的電子會向N型區(qū)注入，從而形成導(dǎo)電通道，電流得以從集電極流向發(fā)射極；而當(dāng)柵極電壓變?yōu)樨?fù)值時(shí)，導(dǎo)電通道被關(guān)閉，電流也就無法在集電極與發(fā)射極之間流通。

五、MOSFET與IGBT的優(yōu)缺點(diǎn)

（一）MOSFET的優(yōu)點(diǎn)

高開關(guān)速度：MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)非常快速的開關(guān)動作，這一特性使其在高頻應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色，例如開關(guān)電源、逆變器等高頻電路中，MOSFET能夠高效地進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換與傳輸控制，滿足高頻工作的需求。

低導(dǎo)通壓降：在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，MOSFET的壓降相對較低。特別是在低壓應(yīng)用環(huán)境下，這一優(yōu)勢更為顯著，有助于實(shí)現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換，減少能量損耗，提升整個(gè)電路的能效水平。

高輸入阻抗：MOSFET具有極高的輸入阻抗，這意味著其對所連接的外部電路的影響微乎其微，能夠輕松與各種不同類型、不同參數(shù)的電路進(jìn)行集成，為電路設(shè)計(jì)提供了很大的便利性，同時(shí)也保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

低功耗：在整個(gè)正常工作狀態(tài)下，MOSFET的功耗處于較低水平。并且，當(dāng)MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其漏電流幾乎可以忽略不計(jì)，這進(jìn)一步降低了電路的整體功耗，使得采用MOSFET的設(shè)備在能源利用效率方面更具優(yōu)勢，尤其適用于對能耗較為敏感的應(yīng)用場景。

低噪聲：MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性使其在工作過程中產(chǎn)生的噪聲水平較低。對于那些對信號精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如精密儀器儀表、音頻信號處理等，低噪聲特性能夠有效避免噪聲干擾對信號質(zhì)量的影響，保證設(shè)備的正常運(yùn)行和信號的準(zhǔn)確傳輸。

（二）MOSFET的缺點(diǎn)

耐壓能力有限：相較于IGBT等其他功率器件，MOSFET的耐壓能力相對較弱。通常情況下，MOSFET更適合應(yīng)用于較低電壓等級的電路中。在面對高電壓應(yīng)用場景時(shí)，MOSFET可能無法滿足其絕緣和耐壓要求，容易出現(xiàn)擊穿等故障，這限制了它在高壓領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

電流承受能力有限：盡管MOSFET能夠處理較大電流，但與IGBT相比，其電流承受能力仍有所不足。在一些高功率、大電流的應(yīng)用場景中，如工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、高壓輸電等，MOSFET可能無法單獨(dú)承擔(dān)大電流的傳輸和控制任務(wù)，需要采用多個(gè)MOSFET進(jìn)行并聯(lián)等復(fù)雜設(shè)計(jì)來滿足電流要求，這在一定程度上增加了電路的復(fù)雜性和成本。

（三）IGBT的優(yōu)點(diǎn)

高效率：IGBT具備較低的導(dǎo)通電阻，這使得其在進(jìn)行功率調(diào)節(jié)時(shí)能夠有效降低能量損耗，實(shí)現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換與傳輸。在處理大功率電能時(shí)，IGBT的低導(dǎo)通電阻特性能夠顯著提升系統(tǒng)的整體能效，減少熱量產(chǎn)生，提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

大電流承受能力：IGBT能夠承受較大的電流和電壓，這一特性使其在高功率應(yīng)用場景和高電壓應(yīng)用環(huán)境中有著不可替代的地位。無論是在工業(yè)生產(chǎn)中的大型電機(jī)驅(qū)動、變頻調(diào)速系統(tǒng)，還是在電力系統(tǒng)的高壓輸電、變電設(shè)備中，IGBT都能夠穩(wěn)定地工作，可靠地傳輸和控制大電流，保障設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

高速開關(guān)：雖然IGBT的開關(guān)速度相較于MOSFET略有不及，但其仍然能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成開關(guān)操作，滿足中低頻電路的應(yīng)用需求。在眾多中低頻功率轉(zhuǎn)換場景中，IGBT的開關(guān)速度足以保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，同時(shí)其在開關(guān)過程中產(chǎn)生的損耗相對較低，有助于提升系統(tǒng)的整體性能和效率。

良好的熱導(dǎo)性：IGBT具有優(yōu)良的熱導(dǎo)性能，這使得其在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在高功率應(yīng)用中，器件往往會因電流通過而產(chǎn)生大量熱量，良好的熱導(dǎo)性能夠及時(shí)將熱量散發(fā)出去，避免器件因過熱而損壞，延長器件的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的可用性。

絕緣性強(qiáng)：IGBT的內(nèi)外殼具備良好的絕緣性能，這一特性能夠有效防止電磁干擾以及其他電氣問題的產(chǎn)生，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境和高電壓應(yīng)用場合中，良好的絕緣性能是保障設(shè)備可靠運(yùn)行和操作人員安全的重要因素，IGBT在這方面表現(xiàn)出色，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供可靠的電氣隔離和保護(hù)。

（四）IGBT的缺點(diǎn)

開關(guān)速度較慢：與MOSFET相比較，IGBT的開關(guān)速度明顯較慢，這使得其在高頻應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制。在高頻電路中，快速的開關(guān)速度是提高系統(tǒng)效率和性能的關(guān)鍵因素之一，而IGBT較慢的開關(guān)速度會導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，影響系統(tǒng)的整體性能，因此通常不適用于極高頻的應(yīng)用場景。

充電時(shí)間較長：IGBT的充電過程需要相對較長的時(shí)間才能完成開關(guān)操作。這在一些對動態(tài)響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用中可能會成為一個(gè)問題，例如在需要快速調(diào)節(jié)功率輸出或頻繁啟停的系統(tǒng)中，較長的充電時(shí)間可能會影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和工作效率。

死區(qū)問題：由于體二極管的存在，IGBT在開關(guān)過程中可能會出現(xiàn)電流波動現(xiàn)象，這就是所謂的死區(qū)問題。死區(qū)問題會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降，如在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，可能會引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動、振動和噪聲等問題，影響電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性和可靠性，需要采取相應(yīng)的措施來減小或消除死區(qū)效應(yīng)的影響。

溫度變化敏感：IGBT的性能對溫度變化較為敏感。溫度的變化會影響其電氣特性，如導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度等，進(jìn)而可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證IGBT的正常工作和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對其進(jìn)行有效的溫度控制和散熱管理，以減小溫度變化對其性能的影響。

成本較高：作為一種高性能的功率半導(dǎo)體器件，IGBT的制造工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。這使得采用IGBT的設(shè)備和系統(tǒng)在成本上相對較高，對于一些對成本較為敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，可能會增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，限制了其更廣泛的應(yīng)用。

六、MOSFET與IGBT的應(yīng)用選擇

MOSFET憑借其卓越的高頻特性，能夠適應(yīng)的工作頻率范圍廣泛，從幾百kHz至上MHz都能保持良好的性能表現(xiàn)。然而，其在高壓大電流應(yīng)用場景下的導(dǎo)通電阻較大，導(dǎo)致功耗也隨之增加。而IGBT在低頻以及較大功率的應(yīng)用場合中展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，具有較小的導(dǎo)通電阻和較高的耐壓能力。

在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET常被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機(jī)、通信電源等對高頻性能要求較高的電源領(lǐng)域。這些領(lǐng)域中的設(shè)備通常需要快速的開關(guān)動作和較高的頻率來實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換與控制，MOSFET的高頻特性使其成為理想的選擇。

另一方面，IGBT則主要集中在焊機(jī)、逆變器、變頻器、電鍍電解電源、超音頻感應(yīng)加熱等應(yīng)用領(lǐng)域。這些領(lǐng)域往往涉及大功率、高電壓的電能轉(zhuǎn)換與控制，對器件的耐壓能力、電流承受能力以及效率等要求較高。IGBT在這些方面表現(xiàn)出色，能夠滿足此類應(yīng)用的需求，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和高效工作。