IGBT、MOSFET、電晶體：應用場景及區別

有些設備使用了一個聽起來非常令人印象深刻的組件—IGBT （絕緣柵雙極電晶體）。從高鐵、電動車到空調、電磁爐等小家電，它隨處可見。您可能想知道 IGBT 到底是什麼、它的用途是什麼以及它與 MOSFET 有何不同？為了理解這些問題，我們先從一個常見的開關開始。

在下圖中，開關連接到左側的電源和右側的負載。當開關連續切換時，負載上的電壓波形為 PWM（脈衝寬度調變）波。該電路看似簡單，但極為重要。您可以說大多數電路板都包含該電路的一個版本。

例如，在電動車中，內部模型本質上是連接到馬達的電池。當然，這中間還需要一個馬達控制器，也稱為ESC（電子速度控制器）。這款電調的核心部件其實是一個開關，透過高速開關產生PWM波。如果您開得更快，開關保持關閉的時間會更長，如果您開得較慢，開關保持關閉的時間會更短。同樣，在空調中，經常宣傳的逆變器的工作原理是透過整流和濾波將220V交流電轉換為直流電，然後使用PWM開關控制器來調節壓縮機轉速，從而控製冷卻性能。即使在開關模式電源 (SMPS) 中，這種不斷切換的開關也用於調節輸出電壓。了解開關電路的原理將使您更容易了解開關模式電源、逆變器和馬達驅動器。

MOSFET 的局限性

實際上，我們需要一個微控制器來控制這個開關，因此我們會使用 MOSFET 來取代它。如同先前的無刷馬達文章中所討論的，MOSFET 廣泛用於開關。當您向閘極施加高電壓時，汲極 (D) 和源極 (S) 之間的 MOSFET 的行為就像一個閉合開關。當低電壓施加到閘極時，MOSFET 的行為就像一個打開的開關。通常，MOSFET 足以滿足常見的開關場景。然而，在某些情況下，MOSFET 不能起到開關的作用。

如果你還記得前面提到的 IGBT 的應用場景——高鐵、電動車、電磁爐——它們有一個共同的特點： 高壓。這就是問題所在。 MOSFET 的最大問題是它們 無法處理高電壓。通常，MOSFET 只能承受約 400V 的最大電壓。因此，在高電壓場合，如高鐵、電動車、電磁爐等，不適合使用MOSFET，容易燒毀。那麼，哪些元件可以耐高電壓呢？答案是 雙極接面電晶體 (BJT)。 BJT 可以處理高達數千伏特的集極-射極 (CE) 電壓。那麼，我們可以在電動車中使用 BJT 嗎？答案是 沒有.

BJT 的缺點

雖然 BJT 可以承受高電壓，但電動車需要大電流。這意味著大電流將流過開關。如果我們用 BJT 取代開關，集極 (C) 和射極 (E) 之間將流過大電流。我們知道，BJT 中集極和射極之間的電流等於 β（電流增益）乘以基極射極 (BE) 電流。一般來說，β約為100。 1A 電流到基極射極。現在的問題是，我們要如何產生這麼大的基極電流呢？

我們可以直接將微控制器的 I/O 接腳連接到電晶體的基極嗎？ 不，這行不通。 微控制器的I/O接腳無法輸出那麼大的電流；一般情況下，I/O 接腳只能提供 20mA 左右的電流。即使增益為 100，也只能在集電極和發射極之間提供 2A 的電流，這與所需的 100A 相差甚遠。

您可能會想，如果一個 BJT 不夠，我們可以在它前面添加另一個 MOSFET 嗎？由於 MOSFET 是電壓控制的，因此它可能會起作用。當微控制器的I/O引腳為低電平時，MOSFET關斷，大於1A的電流流過BJT的基極-射極，使BJT導通，並允許在集電極和射極之間流過大電流。當 I/O 引腳為高電位時，MOSFET 導通，BJT 的基極電壓變為零，從而關閉 BJT。對於此類電路，只要我們對 MOSFET 的閘極施加 PWM 訊號，BJT 就會連續開關。

摘要

由於少數載子儲存效應，BJT 的開關速度很慢，且深度飽和後的恢復時間很慢。另一方面，MOSFET 依賴電荷傳導，具有非常快速的關斷特性。理論上，透過適當的驅動電路，MOSFET 可以處理非常高的開關頻率。類似地，由於電子和電洞都參與傳導，常規矽二極體的反向恢復時間很慢。然而， 肖特基二極管，僅涉及電子傳導，具有非常快速的反向恢復時間。有時，蕭特基二極體會與 BJT 的基極和集電極並聯放置，以限制飽和深度並顯著縮短開關時間。這就是為什麼74LS（低功耗蕭特基）邏輯電路中的「S」代表蕭特基二極體。