一文看懂MOSFET和IGBT

功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,主要用于改变电子装置中电压和频率,及直流交流转换等。只要在拥有电流电压及相位转换的电路系统中,都会用到功率零组件。

基本上,功率半导体大致可分为功率离散元件 (Power Discrete) 与功率积体电路 (Power IC) 二大类,其中,功率离散元件产品包括 MOSFET、二极体,及 IGBT,当中又以 MOSFET 与 IGBT 最为重要。
MOSFET、IGBT 主要用于将发电设备所产生电压和频率杂乱不一的电流,透过 一系列的转换调製变成拥有特定电能参数的电流,以供应各类终端电子设备,成为电子电力变化装置的核心元件之一。
而全球功率半导体市场中,用于工业控制比重最高,达 34%,其次是汽车及通讯领域各占 23%,消费电子则占 20%。
近年来,功率半导体的应用领域已从工业控制和消费电子拓展至新能源、轨道交通、智慧电网、变频家电等市场,整体市场规模呈现稳定成长趋势。根据 IHS Markit 预测,2018 年全球功率元件市场规模约为 391 亿美元,预估至 2021 年市场规模将上升至 441 亿美元,年複合成长率为 4.1%。
而 IC Insights 则指出在各类半导体功率元件中,未来最看好的产品将是 MOSFET 与 IGBT 模组。
MOSFET 是一种可以广泛使用在类比电路与数位电路的场效电晶体,具有导通电阻小,损耗低,驱动电路简单,热阻特性佳等优点,特别适合用于 PC、手机、行动电源、车载导航、电动交通工具、UPS 电源等电源控制领域。
而 2016 年,全球 MOSFET 市场规模达 62 亿美元,预估到 2022 年,全球 MOSFET 市场规模将接近 75 亿美元,而这之间年複合增长率将达 3.4%。
至于 IGBT 则是由双载子接面电晶体 (BJT) 和 MOSFET 组成的複合式半导体功率元件。兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 BJT 的低导通电阻两方面的优点。IGBT 驱动功率小,非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统,如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等。
随着消费者对于充电效率的要求逐渐提升,手机充电出现快充模式,意即透过提高电压来达到高电流、高功率充电,但高电压存在安全隐忧,需要加入整流的 MOSFET 来调整。
而后来出现较为安全的闪充模式,主要是透过低电压、高电流来实现高速充电,这对同步整流 MOSFET 的要求更高。
另一方面,则是汽车产业的变化,目前汽车产业发展已从传统汽车朝向电动车前进。而汽车电子化程度的提升,最大受惠者就属功率半导体。传统燃油汽车中,功率半导体主要用在启动、停止和安全等领域,比重只有 20%。依照传统汽车中,以半导体单车价值 350 美元计算,功率元件价值约在 70 美元。
但进入到电动车世代,其电池动力模组要用大量的电力设备,电力设备中都含有功率半导体,溷合动力汽车的功率元件比重 40%,纯电动汽车的功率元件比重达 55%。依照纯电动汽车半导体单车价值 750 美元计算,功率半导体价值约在 413 美元,是传统汽车约 6 倍。

MOSFET、IGBT 国际大厂把持

MOSFET 市场主要由英飞凌佔据,根据 IHS 统计指出,英飞凌市占高达 27%,排名第二为安森美,市占率 13%,第三则是瑞萨的 9%。
而在价值含量高的高压 MOSFET 领域中,英飞凌更是以 36% 的市占率大幅领先所有竞者对手,意法半导体与东芝则以市占 19% 及 11% 分居二、三名。
至于在 IGBT 市场中,则是由英飞凌,三菱和富士电机处于领先位置,安森美则主攻在低压的消费电子产业,电压在 600V 以下。而中高压 1700V 以上领域,则是应用在高铁,汽车电子,智慧电网等,基本被英飞凌、ABB 和三菱垄断。

MOSFET 与 IGBT 各具优劣

MOSFET 依内部结构不同,可达到的电流也不同,一般大到上 KA 也是可行,但 MOSFET 耐电压能力没有 IGBT 强。
而 MOSFET 优势在于可以适用高频领域,MOSFET 工作频率可以适用在从几百 KHZ 到几十 MHZ 的射频产品。而 IGBT 到达 100KHZ 几乎是最佳工作极限。
最后,若当电子元件需要进行高速开关动作,MOSFET 则有绝对的优势,主要在于 IGBT 因有整合 BJT,而 BJT 本身存在电荷存储时间问题,也就是在 OFF 时需耗费较长时间,导致无法进行高速开关动作。
所以综合来看,MOSFET 适用在携带型的充电电池领域,或是行动装置中。至于 IGBT 则适用在高电压、大功率的设备,如电动马达、汽车动力电池等。 

下一篇

无线网络的发展

弱电工程

无线网络的发展

无线网络的发展过程无线局域网是1990年出现的,但是,作为无线局域网的研究可以追溯到20世纪70年代早期,主要的领导人物是AT&T的贝尔实验室,早期的产品为频分多址(FDNA)模拟蜂窝系统技术。20世纪70年代后期瑞士 IBM Ru... ...

相关内容

CIDR:一文读懂cidr地址说明

CIDR:一文读懂cidr地址说明

CIDR主要用于使用IP地址,高效解决路由表爆炸。它在 RFC(征求意见)151......

通信百科

2020-12-21

代理服务器:一文读懂代理服务器的原理和作用

代理服务器:一文读懂代理服务器的原理和作用

代理服务器是在用户和互联网之间提供网关的系统或路由器。因此,它有助于防止网络攻击......

通信百科

2020-12-17

一文了解传感器的7大感应方式

一文了解传感器的7大感应方式

接近感应接近感应通常意味着检测:a、是否存在物体。b、对象的大小或简单形状。接近......

弱电工程

2022-12-08