FET、BJT、IGBT:功率舞台设计的正确选择是什么?

本文将帮助您了解不同类型的功率半导体：它们如何工作，关键参数和权衡。

适用于主要类型的高功率半导体的应用领域有相当大的重叠。那么设计师如何确定是否在他/她的应用程序的电力级使用BJT或MOSFET？或者设计师应该使用IGBT吗？晶闸管怎么样？他们会在设计中工作吗？他们会更好吗？

所以有几个选择，但哪一个是最好的呢?

答案是:“看情况。”我知道，这不是一个有用的或令人满意的回答。但这是有效的，因为选择确实取决于项目的各种因素和方面。例如，应用领域(电机控制、电源、音频放大器等)将影响您的选择，以及负载功率调制技术(如线性、开关、静态等)和工作频率。首先，您需要清楚地定义您的设计标准和方法，然后您可以开始评估各种可用功率半导体的优势和权衡。

频道，路口-有什么功能?

频道或连接吗?有多少?什么类型?这些以及内部器件的几何形状和构造的其他方面可能是观察功率半导体的一种方式，因为它们对于不同类型的固态功率器件确实是不同的。但这种方法可能会让我们偏离真正的重点，也就是该设备的本质控制改变负载电流。

请记住，以受控方式通过负载改变电流是主要功能（raison d'être，如果您的话）任何功率半导体器件。您可以通过负载，您希望驱动电流，以及当前流的状态（完全上，全心全意离开，或在一些预定的情况下中级水平）是传送到功率半导体器件的控制端子的信号的函数。

有几个考虑因素将引导您选择功率晶体管技术。其中包括特定负载要求的电流大小，为实现该电流而施加在负载上的期望电压，以及所需的电流(dI/dt)和电压(dV/dt)的最大变化率。

简洁地说，有三个关键性能参数，帮助我们了解哪种功率晶体管技术可能最适合电源级设计：最大工作电压，最大工作电流和最大开关频率。

用于电源耗电的半导体菜单

当然，您已经定义了负载的关键功率参数:

• 最大电压和电流
• 最大操作频率
• 负载的反应参数（负载电感和负载电容）
• 您的负载的直流特性（甚至潜在故障特性）

具有您的负载特性定义明确的意味着您已准备好探索驱动您负载的选择菜单。

Entrée列表不仅包括MOSFET，BJT和IGBT等流行的高功率晶体管，而且更具异国情调的晶闸管等，如TRIACS和SCR（用于禁止的AC-of AC或脉动DC饮食，我们将在未来解决文章）。

当然，当然，像超快和肖特基整流器一样有必要的侧面菜肴（没有它们没有功率设计，但这也是未来的文章也是如此）。将此菜单仔细阅读固态，三端，高功率设备，您将看到每个人以不同的方式控制负载。

BJT.

根据其基本驱动电流乘以其当前增益，BJT改变其输出电流（在此定义为流过集电极的电流，反之亦然）其当前增益（H._Fe.）。因此，BJT通常被描述为电流控制的设备。

Mosfet.

相反，MOSFET被描述为电压控制的装置，因为其输出电流随着施加到其栅极的小电压的函数而变化。在这种情况下，发生了什么，栅极的静电场正在撞击并影响装置的源极到排水通道的电阻（因此术语“场效应晶体管”）。

IGBT.

IGBT也可以被认为是一个电压控制的器件，因为它的输出电流也是施加在它的栅极上的一个小电压的函数。然而，它在功能上是不同的，因为这个控制信号电压调制一个通道电阻，这个通道电阻反过来也改变电流载流子(电子和空穴)的数量，可以将电流从发射极端带到集电极端。

所有三种类型的功率晶体管具有增益，因此可以用作放大器以及开关。我们的菜单上的第四个项目，晶闸管，只能用作锁存开关：一个设备，一旦触发，将保持直到通过设备的电流从外部减小到接近零。这将晶闸管限制为负载从AC或脉动直流电源供电的应用程序（其中施加的电流下降到每个周期和换向I.E，而关闭或复位 - 晶闸管）。

现在，我们将专注于三种电源晶体管类型，并将晶闸管应用留在不同的文章中。

技术比较和权衡

现在我已经欲了解了你的胃口，让我们在更深入的深度中检查这个三合会的电力晶体管类型。通过将我们的使用与高功率的比较约束，我们将重点关注这一仔细的外观切换晶体管。这是适合大多数现代电源电路应用，甚至音频，使用脉冲宽度调制（PWM）将电源控制成负载，无论是变压器，电感器，电机绕组，LED，灯，电阻，甚至扬声器。这是因为PWM与负载的线性控制/调节是多于线性控制/调节的。

所以，从这个焦点来看，我们需要看看电源晶体管'切换速度性能也不仅仅是电压和电流处理功能。

设计用于大功率晶体管的双极结晶体管将显示出相当适中的电流增益(带有h_Fe.在单位数字到低双位范围）。尽管它能够作为RF放大器操作，但是在切换应用中提供显着的基础驱动电流的复杂性通常限制在100kHz或更小的用途。在该开关速度范围内，有BJTS可以有效地处理几十的AMPS，而耐高量来自几百到一千伏特或更大。就与其他两个电源晶体管技术的比较方面，我们可以考虑BJT作为一个高压，但低电流设备。

相反，mosfet设计用于大功率晶体管通常是高电流，但低压设备。最大500 kHz的开关频率是可行的，并且有MOSFET可以携带几百个放大器，但它们通常限于电压远小于100V。MOSFET的显着优点是驱动栅极所需的电路非常简单且低功耗。

有趣的是，igbt是专门作为功率晶体管开发的，目的是将两者结合起来高电流和高压。在此作用中，它们在许多高功率应用中占用了BJT和MOSFET（以及晶闸管）。在这项技术中有相当令人印象深刻的设备，可以处理高于1000A的电流，同时切换几千伏！然而，它们确实有局限性，切换速度是重要的。这些器件的制造商不断地改善开关速度（特别是通过减少跌倒时间），并且在几十年中，由于IGBT首先进行了商业推出，开关速度几乎增加了两倍。尽管如此，高功率IGBT功率级设计的实用开关速度很少超过50 kHz。

比较功率晶体管的关键参数如下表所示：

除了评估这些关键参数外，您还应考虑在查看和比较电源晶体管数据表时考虑负载的反应和故障行为。raybet开户例如，如果经过超过其额定短路耐受时间的短路电流（T），IGBT可以锁定（如晶闸管）（如晶闸管）（t_SC）在微秒中。电感载荷可以产生可能超过BJT的击穿电压的大电压尖峰，或者超过MOSFET体二极管的雪崩能量（例如_作为）。

功率晶体管应用的三个维度

我们已经讨论了三个关键性能参数，帮助我们了解哪一种功率晶体管技术可能最适合您的功率级设计。重申一下，它们是最大工作电压、最大工作电流和最大开关频率。

这些和其他数据表参数为设计师提供了做出深思熟虑的设计决策所需的技术信息。但通常设计师也想知道这些设备通常如何在商业/工业市场应用中使用，因为这提供了其他设计师如何评估性能和成本权衡的见解。

该图示出了三维的功率晶体管应用空间。图中的每个轴代表了三个关键性能参数中的一个，每个功率晶体管技术由不同的颜色箭头表示。

例如，在图表的顶部，您将注意一个代表小型电动车辆应用的棒（例如，高尔夫球推车，电动叉车）。这些电机控制器通常以48V至72V的电压运行，高达几百个放大器的电流，并且通常使用MOSFET PWM在20 kHz（舒适地高于人类听觉上）的频率。

作为一个警告，驱动这个图表的数据被正确地认为是轶事，因为它是从我自己的观察中得出的。我提供它是希望分享我的见解，从40年的行业工作与广泛的客户和应用。

结论

您现在应该有一个好主意，您的选择和何处开始选择功率晶体管类型使用在您的下一个大功率设计。请关注有关相关主题的未来文章。