EV和充电桩将成为IGBT和MOSFET最大单一产业链市场

作者：玩加电竞发布时间：2024-01-19 11:13:13 浏览量：

《泰德兰电子》提供功率MOSFET的型号选型及应用问题分析以及AC-DC,DC-DC电源IC方案型号推荐---IGBT基本工作原理及IGBT的作用是什么?

IGBT驱动电路的设计包括上下桥绝缘水平的选择、驱动电压水平的确定、驱动芯片驱动功率的确定、短路保护电路等等。今天我们重点讨论一下驱动电流以及功率的确定，也就是说如何确定一个驱动芯片电流能力是不是可以驱动一个特定型号的IGBT，如果不能驱动该如何增强驱动输出能力.

本章主要描述IGBT驱动电路驱动芯片电流、驱动芯片的驱动功率计算

一、Ipeak计算

在选择IGBT驱动芯片时，很重要的一步就是计算IGBT所需要的最大驱动电流，在不考虑门极增加Cge电容的条件下，可以把IGBT驱动环节简化为一个RLC电路，如下图阴影部分所示。

从上面公式可以看出最大驱动电流取决于门极电压水平，以及门极电阻值，一旦这两个参数确定后，所需要的最大驱动电流基本确定。当然，在一些设计中会选用不同的开通关断电阻，那么就需要分别计算开通关断需要的电流。依据上述计算的开通关断电流值可以初步选择芯片的驱动电流，芯片数据手册给出的峰值不能小于计算得到的电流值，并且适当考虑工程余量。
如果开通关断电阻不同的话，需要分别计算Ion Peak和Ioff Peak
Ion peak=Ugemax/Ron
Ioff peak=Ugemin/Roff

如果驱动芯片的驱动电流能力无法达到IGBT的最小驱动电流，则需要在驱动芯片后端用推挽电路增大驱动电流
如下：
ACPL-352 output current max=5a，根据此驱动电路的电压差为25v
故Ron/Roffmin=25v/5=5Ω，根据设计需要和IGBT内阻存在，其电阻值可能小于5Ω存在，这样的话其驱动芯片的驱动电流无法达到IGBT的驱动能力。所以需要增大驱动芯片的驱动能力
1.2、推挽电路增大驱动电流方法

如果驱动芯片的输出电流不能驱动特定IGBT的话，比较简单的方法是采用推挽电路进一步增强驱动芯片的峰值电流输出能力。采用三极管放大是一种常用的方式，其计算步骤如下：
例如某厂家IGBT600A 计算为例
Ron=4.3Ω
Roff=19.3Ω
Rint=0
（1）根据选择的驱动电压水平以及门极电阻计算得到需求的最大峰值电流Ipeak
Ipeak=25/4.3=5.18
其值超过驱动芯片的最大输出电流5A，故需要用推挽电路增大输出电流
（2）选择合适耐压的PNP/NPN三极管组成推挽电路
选择：ZXTN2010G/ZXTP2010G，耐压60v，最大连续电流IC=5.5a，ICM=15A

（3）查所选择的三极管数据手册中的电流传输系数hFE，计算得到三极管的基极电流
查阅此电流传输系数hef=25
可以计算IB=5.18/25=200mA

（4）计算驱动芯片输出极的输出电阻

Rmax=(15+10)/200ma=125Ω
设计裕量可以选择100Ω

二、驱动功率计算

这个功率是每个 IGBT 驱动时必须的，但门极的充放电是没有能量损失的，这个功率实际上损失在驱动电阻及外部电路中。

驱动器是用来控制功率器件的导通和关断。为了实现此功能，驱动器对功率器件的门极进行充电以达到门极开通电压VGE_on，或者是对门极进行放电至门极关断电压VGE_off。
门极电压的两种电平间的转换过程中，在驱动器门极驱动电阻及功率器件组成的回路中产生一定的损耗。这个参数我们称为驱动功率PDRV。驱动器必须根据其所驱动的功率器件所需的驱动功率来选择
P=f*Q*U
f为系统开关频率，例如IGBT开关频率为600Hz
Q为IGBT的IGBT门级电荷
U为IGBT的门级Ugemax-UGemin，一般为15--10=25v
公式中Q在IGBT的数据手册中无法找到，可以用下面方式得到Q
Q=Cin*U
Cin为IGBT输入结电容可以根据IGBT输入Cies大约得知为5Cies。
如果门级并联电容
P=f*Q*U+f*Cbin*U*U
输入电荷也可以用示波器测量

如果QGate 在数据手册中已给出，在实际应用中一定要注意该参数给定的电压摆幅条件。不同的电压摆幅条件下门极电荷量是不同的。举个例子：如果VGE 从0V 到+15V 条件下的门极电荷量是QGate，那么没有办法很准确的得到VGE 从-10V 到+15V 条件下的门极电荷量。

在这样的情况下，如果没有电荷量图表(QGate vs. VGE)，则实测电荷量QGate是唯一的方法。图2 显示的是一张典型的驱动器开通过程的波形图。驱动器输出电流IOUT正在对功率器件的门极进行充电。因此，如图2 所示，输出电流曲线与时间轴围成的区域就是总的充电电荷量(见图4 所示的原理图)。积分时间应宽到足以涵盖整个电压摆幅(参照输出：GH，GL) 。积分时间包括驱动器输出电压至最终电压，或者是从驱动器开始输出电流至输出电流为零这段时间。

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EV和充电桩将成为IGBT和MOSFET最大单一产业链市场！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。

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。

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。

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/

英飞凌解答时间：

IGBT是一个超级电子开关，它能耐受超高电压。

我们家中插座里的市电交流电电压是220V，而薄如纸张的IGBT芯片能承受的电压最高可达6500V。我们一般家庭里家用电器全部开启最大电流也不会超过30A，而一颗指甲盖大小的IGBT芯片就能流过约200A的电流!

下图是安装在基板上的4个IGBT芯片和4个二极管芯片。

但是，像这样裸露的芯片是不能直接用的。我们需要把芯片再封装到一个外壳里面，外壳中再填充绝缘的材料，把芯片的电极引到外端子上，就形成了能够使用的IGBT产品。

有的外壳里只有一颗IGBT芯片，有的可能会十几颗，二十几颗芯片。于是，就形成了各种各样的IGBT单管和模块。单管封装的IGBT的最大电流在100A左右，IGBT模块的最大额定电流可以达到3600A！

电路图中的IGBT我们一般用下图来表示，G表示门极gate，它用来接收指令。C表示集电极collector，E表示发射极emitter，集电极和发射极用来导通电流。平时IGBT是截止的，一旦门极接收到一个开通指令，电流就会源源不断地从集电极到发射极之间流过。

就好比你家里墙上的开关，按一下，开关闭合，电灯亮起；再按一下，电灯熄灭

当然，操作IGBT，不再是手，而是电子脉冲。

高电平来临时，器件开通；低电平来临时，器件就关断

手动操作开关，可能一秒钟一两次，而我们的电子开关，一秒钟可以开关上万次，几十万次！这就是我们需要电子开关，也就是功率器件的原因。

两位长期在英飞凌科技从事IGBT应用技术研究和推广的工程师撰写了《IGBT模块：技术、驱动和应用》著作，上架以来深受读者欢迎，销量过万。

这是一本关于IGBT驱动与应用设计的大作，作者从功率半导体基础切入，通篇覆盖半导体原理，模块结构，电气特性，从而深入到实际应用中的开关特性、射频振荡及驱动设计和热设计，全书共14章，50万字。

试读章节：《3.5 IGBT的开关特性》（欲查看完整章节，请点击文末“延申阅读”）

3.5.1 IGBT的开通特性

IGBT的开通特性如图3.24所示，可以通过图3.1所示的半桥电路测试。IGBT VT2在一定的时间段t1内开通。根据这个时间周期和电感L的大小，决定流过负载及IGBT集电极电流的大小[式(3.12)]。

IGBT VT2在t1时刻关断，电流I换流到二极管VD1(t1时刻用以描述IGBT关断行为，详细的讨论见3.5.2节)。一旦时间到达t2，IGBT VT2再次被开通，这个时刻用来描述IGBT的开通行为。忽略负载电阻和二极管的压降，IGBT VT2在开通之前承受所有的直流母线电压UDC。

IGBT开通过程如图3.25所示。在IGBT VT2开通后，栅极-集电极电压UGE开始上升。在时间t3处，UGE上升到阈值电压UGE(TO)，这时集电极电流IC开始上升。集电极电流的上升产生了电流变化率diF/dt，同时由于换流通路中的杂散电感，导致集-射电压UCE迅速下降，即

在t4时刻，集电极电流IC已经上升到由电感大小决定的额定值。然而，这时二极管开始关断，由于二极管的反向恢复特性，IC继续增大。最大集电极电流IC，max的值是由以下因素决定的:

二极管的设计;
IGBT的外围部件(比如驱动电路)，这些外围电路会影响电流变化率diC/dt和diF/dt。图3.26给出了一个最大集电极电流随驱动电阻变化而改变的示例。驱动电阻越大，diF/dt就越低,因而最大集电极电流就越低;
结温Tvj;
直流母线电压UDC。
如果其他参数保持不变，负载电流对IC，max的大小没有影响。

延申阅读，查看完整章节：IGBT Book 3.5 IGBT的开关特性 - Infineon Technologies

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关注新能源车的朋友应该都知“IGBT”这个词，如果你去4S店买新能源车在谈到提车时间时，销售可能都会说由于芯片产能的不足，缺“芯片”导致整车的交付时间加长。这个“缺芯片”中也包含新能源汽车上必不可少IGBT。

相比于传统汽车，新能源汽车的生产需要用到的芯片可达到500-800个，有的甚至超过1000个不同类型的芯片。这远远超过了传统的燃油车。汽车的芯片种类主要包括主控芯MCU、存储芯片、传感器类器件、IGBT功率类芯片、其次是信号链类的通信芯片。

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），可以等效看做是MOS管和三极管的结合体。

图片来源：华秋商城

01 先来了解下三极管:

三极管属于电流控制型，通过在基极施加一个很小的电流，可以在集电极和发射极之间获得更大的电流通过。在电路中应用的最多的放大作用和开关作用。

图片来源：华秋商城

如上图所示，PNP三极管Q1在电路中属于开关作用，当开关KEY1按下时Q1的基极与电源GND导通，电流此时从Q1的集电极流向发射极，LED1被点亮。图中Q1是一个普通的三极管，Ice仅仅只有几百mA。驱动一个发光二极管是绰绰有余的。玩加电竞app

在一些需要大电流的驱动场景就需要一个叫GTR（Giant Transistor）的三极管，GTR 是三极管的一种，属于巨型晶体管，由于可工作在高电压、高电流下，也称电力晶体管。GTR也是属于电流驱动型器件，导通后集电极和发射极之间的导通电阻非常小，载流密度非常大，可以做到很高的通路电流。但是在大功率应用场景下时需要消耗较高的驱动电流，此时就要寻求新的突破点。

02 MOS管如何呢？

MOS管，又称为绝缘栅场效应管，注意几个词“绝缘”、“场效应”。这将是MOS与三极管最大的不同之处。

图片来源：华秋商城

MOS管从结构上主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入阻抗。这就是其名称中“绝缘”一词的由来。

由于绝缘层的存在，在栅极与源极之间加电压后，是通过电场的作用下吸引载流子形成导电沟道，所以工作原理可以理解为它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。所以这就是其名称中“场效应”的来源。

在一些高电压驱动场景中，需要高耐压的MOS，这样就要从构造上做调整，内部结构就要做的很厚，同时带来的新的问题就是导致导通电阻增大。不同耐压的MOS管，其导通电阻中各部分电阻比例分布也不同。

比如耐压30V的MOS管，其外延层电阻仅为总导通电阻的29%，耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。想要获得高阻断电压，就必须采用高电阻率的外延层，并且厚度增加。这就是高耐压MOS的导通电阻高的原因。

03 总结三极管和MOS管的优缺点：

三极管（特指GTR巨型晶体管）

优点：载流子多，导通电阻小；
缺点：电流控制方式，消耗较大的驱动电流；

MOS(特指高压MOS)

优点：输入阻抗大，几乎不消耗驱动电流。
缺点：导通电阻大。

那么在一些高压大电流的驱动场景应该如何选择呢？对于合格高效的电路来讲，以上MOS管和三极管的任何一个的缺点都是不被允许的存在的，会大大影响电路的工作效率，同时会产生比较难克服的热量，影响整个产品的寿命。

IGBT诞生了，如前面所讲，IGBT是由MOS管和三极管结合组成的，既然要结合，那么肯定要继承两者的优良基因。所以IGBT相较于三极管和MOS管的特点就是高耐压、大通路电流、低导通阻抗、不消耗驱动电流，非常适合大功率驱动场景。

如下图是IGBT构造示意图，相当于在MOS管的基础上再叠加一个三极管。通过PNP和NPN的组合构成了PNPN的排列，这样同时就实现如其名字的特点，“绝缘栅”和“双极性”。

图片来源：华秋商城

如下图所示，从它的等效电路图来看，当在栅极加正向电压后，MOS管导通，这样PNP三极管的集电极与基极形成低阻状态，此时三极管也就相继导通，这样相当于IGBT的集电极和发射极导通。当栅极电压取消或负压时，IGBT的集电极和发射极关断。这样IGBT就实现了MOS管的高输入阻抗和晶体管的低导通电阻特性，可以当做开关应用在大功率的驱动电路中。