MOSFET与IGBT：特性、结构和市场分析

近年来，随着新能源的兴起，MOSFET和IGBT的市场需求急剧增加。一般用作开关器件，广泛应用于电子电路中。MOSFET和IGBT在外观和特性参数上比较相似。那么MOSFET和IGBT有什么区别呢？

一、什么是MOSFET？

场效应晶体管主要有两种类型，分别是 JFET 和MOSFET。

MOSFET 是金属氧化物半导体场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，所以也称为绝缘栅场效应管。

MOSFET也可分为四类：

①N沟道耗尽模式；

②N通道增强模式；

③P沟道耗尽模式； 

④P沟道增强模式。

MOSFET 类型和电路符号

有些MOSFET内部会有一个二极管，它是体二极管，或者是寄生二极管，或者是续流二极管。对于寄生二极管的作用有两种解释。

MOSFET的寄生二极管的作用是防止在VDD过压的情况下，烧毁MOSFET。因为二极管在过压之前反向击穿导致MOSFET损坏，大电流直接流到地，从而避免烧坏MOSFET。

MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特点。在电路中，MOSFET可以用作放大器、电子开关以及其他用途。

二、什么是IGBT？

IGBT（绝缘栅双极晶体管），是由晶体三极管和MOSFET组成的化合物半导体器件。

IGBT作为一种新型电子半导体器件，具有输入阻抗高、电压控制功耗低、控制电路简单、耐压高、耐电流大等特点……广泛应用于各种电子电路中。

IGBT和电路符号

IGBT的电路符号至今尚未统一，绘制原理图时一般借用三极管和MOSFET的符号，可以从原理图上标注的型号来判断是IGBT还是MOSFET。

同时还要注意IGBT是否有体二极管。图中没有标注并不一定代表没有。除非官方数据中特别说明，否则该二极管是存在的。

寄生二极管

IGBT内部的体二极管不是寄生的，而是为了保护IGBT脆弱的反向耐压而专门设置的。它也称为 FWD（续流二极管）。

判断IGBT内部是否有FWD并不难，可以用万用表测量IGBT的C极和E极。如果IGBT是好的，C极和E极测得电阻无穷大，则说明IGBT没有体二极管。

IGBT非常适合交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域的应用。

三、MOSFET和IGBT的结构

MOSFET和IGBT的内部结构如下图所示。

MOSFET和IGBT的内部结构

IGBT 是通过在 MOSFET 的漏极上添加一个附加层来构建的。

IGBT的理想等效电路如下图所示。IGBT实际上是MOSFET和晶体管三极管的组合。MOSFET具有导通电阻高的缺点，但IGBT克服了这个缺点，并且IGBT在高电压下仍然具有低导通电阻。

IGBT理想等效电路

另外，如果IGBT和MOSFET具有相似的功率容量，则IGBT可能比MOSFET慢，因为IGBT具有关断拖曳时间。由于IGBT关断拖尾时间较长，死区时间也加长，从而影响开关频率。

四、MOSFET和IGBT，该选哪一个？

电路中，选择MOSFET还是IGBT作为功率开关管是工程师经常遇到的问题。从系统电压、电流、开关功率等因素来看，我们可以总结出以下几点。

MOSFET和IGBT应用特点

我们从下图也可以看出两者的使用条件。阴影部分表示可以选择MOSFET和IGBT，“？” 表明当前进程还无法达到该级别。

MOSFET 和 IGBT 的常见应用领域

一般来说，MOSFET具有良好的高频特性。其工作频率可达数百kHz甚至MHz。缺点是通态电阻较大，在高电压、大电流情况下功耗较大。100KHZ几乎是IGBT的最佳工作极限。IGBT在低频、大功率场合具有优异的性能。导通电阻小，耐压高。

最后，如果电子元件需要进行高速开关动作，MOSFET具有绝对优势，主要是因为IGBT集成了BJT。BJT本身存在电荷存储时间问题，即在OFF的时候，需要较长的时间，导致高速开关动作无法进行。

MOSFET应用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源、便携式充电电池等高频电源领域；IGBT应用于焊机、逆变器、逆变器、电镀电解电源、超音频感应加热、电动机、汽车动力电池等领域。

五、MOSFET和IGBT的识别

MOSFET和IGBT是使用频率较高的电子元件。两者无论是外观还是静态参数都极为相似。有些电子产品具有技术垄断性，有时其模型会在电路中被抹掉。目前MOSFET和IGBT还没有统一的命名标准。它们的外观和引脚排列相似。如何区分和判断成为必要的手段。

阻尼NPN型IGBT与N沟道增强型MOMS管的识别：阻尼NPN型IGBT与N沟道增强型MOMS管的栅极位置相同。IGBT的C极对应MODS管的D极。IGBT的e极位置对应MODS管的S极位置。判断和区分好坏可以采用动态和静态测量方法。

静态测量以区分 MOSFET 和 IGBT

我们首先将两个管脚短接，以释放静电。

MOSFET的D极和S极之间有PN连接。正向导通，反向导通。所以Rgd=Rgs=Rds=无穷大，Rsd=几千欧姆。

IGBT的G极到c、e极的电阻应为无穷大，即Rgc=Rge=无穷大，并且IGBT之间有阻尼二极管，因此具有单向导通反向截止特性，即Rce=无穷大，Rec=几千欧姆。

从这里，你只能用万用表的电阻档来判断管子的好坏，但无法分辨出是哪种管子。测得的电阻值很小，说明该管已击穿，测得的电阻值很大，说明该管内部电路开路。

动态测量区分MOSFET和IGBT

首先，用万用表在管栅极上施加电压，使场效应管建立通道。然后测量D、S与c、e之间的电阻，根据电阻的差异区分MOSFET和IGBT。

用万用表电阻档测量两管的D、S、c、e之间的电阻。由于场效应管已经建立了沟道，因此Rds=Rsd≈0。Rce是放大状态下晶体管的导通电阻，Rec是内部阻尼二极管的导通电阻，两者之间有一个电阻Rce，两者都是几千欧姆。

因此，根据测量，两管子的导通程度不同，MOSFET的D、S之间的电阻值远小于IGBTc、e之间的电阻值，因此可以区分MOS和IGBT。

功率半导体是电子设备中电能转换和电路控制的核心。它们主要用于改变电子设备中的电压和频率，以及DC-AC转换等。

基本上，功率半导体可大致分为两类：功率分立器件和功率集成电路（功率IC）。

MOSFET和IGBT主要用于将不同电压、频率的发电设备产生的电流，通过一系列的转换和调制，转换成具有特定电参数的电流，供给各种终端电子设备。

全球功率半导体市场中，占比最高的是工业控制，占34%，其次是汽车和通信领域各占23%，消费电子占20%。

近年来，功率半导体应用已从工业控制、消费电子等领域拓展到新能源、轨道交通、智能电网、逆变家电等市场。据IHS Markit预测，2018年全球功率元件市场规模约为391亿美元。预计2021年市场规模将升至441亿美元，复合年增长率为4.1%。

IC Insights指出，在各类半导体功率元件中，未来最有前景的产品将是MOSFET和IGBT模块。

MOSFET是一种场效应晶体，可广泛应用于模拟电路和数字电路中，具有低导通电阻、低损耗、驱动电路简单、热阻特性好等优点。适用于PC、手机、移动电源、汽车导航、电动车、UPS电源等电源控制领域。

2016年，全球MOSFET市场规模达到62亿美元，预计到2022年，全球MOSFET市场规模将接近75亿美元，其间复合年增长率将达到3.4%。

IGBT是由双载流子结型晶体管（BJT）和MOSFET组成的复合半导体功率器件。凭借MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通电阻的优点，IGBT非常适合直流电压600V及以上的变流系统，例如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引传动等。

来源：IHS，次级、MOSFET 和 IGBT 按价值（十亿美元）

随着消费者对充电效率的要求逐渐提高，手机充电出现了快充模式，这意味着可以通过提高电压来实现大电流、大功率充电。但高电压存在安全隐患，需要通过添加整流MOSFET来调节。

后来出现了更安全的闪充方式，主要是通过低电压大电流实现高速充电，这对同步整流MOSFET提出了更高的要求。

另一方面是汽车行业的变化。目前，汽车产业的发展已从传统汽车转向电动汽车。汽车电子增长的最大受益者是功率半导体。传统燃油汽车中，功率半导体主要应用于启动、停止、安全等领域，占比仅20%。按传统汽车计算，按半导体自行车价值350美元计算，动力元件价值约为70美元。

但进入电动汽车这一代，其电池功率模块需要大量的功率设备，而功率设备中就含有功率半导体。混合动力汽车动力元件占比40%，纯电动汽车动力元件占比55%。按照纯电动汽车单车半导体价值750美元计算，功率半导体价值约为413美元，约为传统汽车的6倍。

经常问的问题

1.MOSFET和IGBT哪个更好？

与 IGBT 相比，功率 MOSFET 具有换流速度更快、低压运行效率更高的优点。更重要的是，它可以承受高阻断电压并保持高电流。这是因为大多数功率 MOSFET 结构都是垂直的（不是平面的）。

2.MOSFET可以替代IGBT吗？

由于 IGBT 的可用电流密度较高，它通常可以处理的电流是其所替代的典型 MOSFET 的两到三倍。这意味着单个 IGBT 器件可以取代并联运行的多个 MOSFET 或当今可用的任何超大型单功率 MOSFET。