IGBT和MOSFET的性能区别

xyza123

为了适应电力电子装置高频化的要求，电压驱动型开关器件IGBT、MOSFET被广泛应用。这两种器件都是多子器件，无电荷存储效应，开关速度快，工作频率高，输入阻抗高，驱动功率小。MOSFET较IGBT开关速度更快，更适合高频工作场合。

MOSFET和 IGBT的等效电路如下图所示：

        输入电容Ciss = Cgs +  Cgd                    输入电容Ciss = Cge + Cgc

        输出电容Coss = Cds +  Cgd                   输出电容Coss=Cce +  Cgc

反向传输电容Crss =  Cgd                         反向传输电容Crss=Cgd

如上图所示，IGBT和MOSFET主要差异是IGBT比MOSFET增加一个漏注入区P+层，它直接通向集电极。这种结构差异决定了 MOSFET 和 IGBT的特性有所不同。在开关过程中，等效电容大小随着时间变化。器件的输出电容主要是由密勒效应引起的密勒电容，而密勒效应的强弱和反向传输电容 Crss 和器件增益倍数有关，在放大倍数一定的条件下，Crss越大，密勒效应越强烈，输出电容也越大。

MOSFET的反向传输电容 Cr 仅由MOSFET结构有关的MOSFET电容Cgd决定，而IGBT在MOSFET结构的基础上增加了P+层，P+层和N-层之间会形成PN结电容Cpn（由势垒电容Cb和扩散电容Cd组成），IGBT的反馈电容相当于Cgc与Cpn串联后的电容，故其反向传输电容Cr较MOSFET的小的多。

下面是IXYS公司的MOSFET和IGBT等效电容比较

（测试条件均Vds=Vce=25V, Vgs=Vge=0V）

对比下MOSFET和IGBT两者内部结构

MOSFET内部结构如下：

IGBT内部结构如下：

比较结果显示，对于同样电压等级的器件，MOSFET的输出电容是IGBT的10多倍。对IGBT来说，流经N-漂移区的电子再进去P+区时，会导致正向电荷载流子（空穴）由P+（5）区注入N-（3）区。这些被注入的空穴既从飘逸区流向发射极端的P+（2）区，也经沟道及N+（1）区流入发射极。因此在N-漂流区内，构成主电流（集电极电流）的载流子出现过盈现象。与MOSFET不同，IGBT的N-区没有外引电极，因此器件关断的过程中不能采用抽流的方法来降低N-区的过剩载流子，这些空穴只能依靠自然复合，集电极电流存在一个拖尾电流。

综上：MOSFET的输出电容较大，IGBT存在拖尾电流现象。

硬开关的条件下MOSFET和IGBT开关损耗分析：

1. 开通损耗方面：由于MOSFET的输出电容大，器件处于断态时，输入电压加在输出电容上，输出电容储存较大能量。在相继开通时这些能量全部消耗在器件内，开通损耗大。器件的开通损耗和输出电容成正比，和频率成正比和输入电压的平方成正比。而IGBT的输出电容比MOSFET小很多，断态时电容储存的能量较小，故开通损耗较小。

2. 关断损耗方面：MOSFET属单极型器件，可以通过在施加栅极反偏电压的方法，迅速抽走输入电容的电荷，加速关断，使MOSFET关断时电流会迅速下降到零，不存在拖尾电流，故关断损耗小；而IGBT由于拖尾电流不可避免，且持续时间长（可能达数微秒），故关断损耗大。

综合以上分析：

硬开关条件下MOSFET的开关损耗主要是开通损耗引起，而IGBT则主要是关断损耗引起；因此使用MOSFET作为主开关器件的电路，应该工作于ZVS条件下，这样在器件开通前，漏极和源极之间的电压先降为零，输出电容上储存能量很小，可以大大降低MOSFET的开通损耗；而使用IGBT作为主开关器件的电路，应该工作于ZCS条件下，这样在器件关断前，流过器件的电流先降为零，可以大大降低因拖尾电流造成的关断损耗。

通态电阻

功率MOSFET和IGBT均属于电压型器件。上面也有谈到，IGBT在导通状态下，P+层注入到N-基极的空穴，对N-基极进行电导调制，使基极得载流子浓度得到显著提高，阻抗减小，从而降低了N-基极得导通压降，克服了功率MOSFET导通电阻高得缺点，使得IGBT在高压时仍具有较低得通态电阻。IGBT的通态损耗与电流成正比，而MOSFET的通态损耗与电流的平方成正比。

开关速度

相似功率容量的IGBT和MOSFET的主要区别是IGBT速度可能慢于MOSFET，IGBT如上文描述，关断时存在电流拖尾，死区时间也被加长，从而影响了开关频率。

温度影响

MOSFET管关断速度基本不受温度影响，IGBT管的关断速度会随着温度的升高而变慢，关断损耗也增大。但总体上IGBT的能量总损耗还是要小一些的。这是由于IGBT内部采用了“少子存活时间控制”使其内部产生漏电流时间较短的缘故。

IGBT管随着集电极正向电流的增加，Vcesat温升系数都会产生一个由负数到正数的变化。MOSFET管一般具有比较大的正向斜率值，使得它在温度由25℃升至125℃的过程中，器件的导通损耗增加了两倍以上。

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