MOSFET vs IGBT : différences, principes de fonctionnement et applications

Les MOSFET et les IGBT sont deux des composants les plus importants de l'électronique de puissance moderne.Ils sont utilisés pour contrôler la façon dont l’électricité circule dans des appareils allant des petits gadgets aux grandes machines industrielles.Les deux fonctionnent comme des commutateurs électroniques mais diffèrent dans la manière dont ils gèrent la tension, le courant et la vitesse.Les MOSFET sont connus pour leur commutation rapide et leur efficacité à des tensions inférieures, tandis que les IGBT sont préférés pour gérer des niveaux de puissance et de tension plus élevés.

Catalogue

Qu'est-ce qu'un MOSFET ?

Un MOSFET (Transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur) est un type de transistor qui contrôle le courant électrique à l'aide d'un champ électrique.Il fait partie de la famille des transistors à effet de champ (FET) et est largement utilisé en électronique analogique et numérique.La grille d'un MOSFET est séparée de son canal conducteur par une fine couche d'oxyde, qui permet à la tension aux bornes de la grille de contrôler le courant entre les bornes de drain et de source.La grille étant isolée, le MOSFET est également connu sous le nom de transistor à effet de champ à grille isolée (IGFET).

Il existe deux grandes catégories de transistors à effet de champ : JFET (Junction Field-Effect Transistor) et MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor).Comparés aux JFET, les MOSFET offrent une plus grande flexibilité dans la conception des circuits et sont plus adaptés aux systèmes électroniques intégrés.

Les symboles des MOSFET représentent leurs connexions électriques et leur comportement.Chaque symbole montre la grille (G), le drain (D), la source (S) et le substrat, le sens de la flèche indiquant le flux de courant pour le fonctionnement du canal N ou du canal P.Ces symboles de circuit aident les ingénieurs à identifier et à interpréter le comportement du MOSFET dans les diagrammes schématiques.

À l'intérieur d'un MOSFET typique, il existe également une diode parasite, souvent appelée diode corporelle, qui se forme naturellement entre la source et le drain.Cette diode permet un flux de courant inverse en cas de besoin et protège l'appareil des pics de tension ou de l'inversion de polarité lors de la commutation.Il fait partie intégrante de la structure semi-conductrice du MOSFET et joue un rôle crucial dans le maintien d’un fonctionnement sûr.

Qu'est-ce qu'un IGBT ?

Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est un dispositif semi-conducteur qui combine les caractéristiques d'un MOSFET et d'un transistor à jonction bipolaire (BJT).Il est conçu pour être contrôlé par tension via sa grille isolée, permettant une régulation efficace du flux de courant dans les circuits électroniques.L'IGBT est largement utilisé dans l'électronique de puissance où un contrôle précis et stable du courant est requis.

L'appareil se compose de trois terminaux : porte (G), collecteur (C) et émetteur (E).Le terminal de porte contrôle la conductivité entre le collecteur et l'émetteur, permettant à l'appareil d'allumer et d'éteindre efficacement l'alimentation électrique.Parce qu'il fusionne la capacité de commutation rapide d'un MOSFET et la capacité de traitement de courant d'un BJT, l'IGBT constitue un élément fiable dans de nombreux systèmes haute puissance.

Dans le diagramme ci-dessus, les symboles IGBT à canal N et P illustrent les deux types courants d'IGBT utilisés dans la conception de circuits.La direction de la flèche à l'intérieur de chaque symbole indique le flux de courant et la polarité de l'appareil.Ces symboles standardisés aident à identifier avec précision les IGBT dans les diagrammes schématiques et à les distinguer des autres composants semi-conducteurs.

Le symbole du circuit des IGBT n'est pas complètement unifié entre les fabricants, car de légères variations peuvent exister.Cependant, il combine généralement les caractéristiques des symboles MOSFET et transistor, soulignant la nature hybride de l’IGBT.Le type d'appareil peut être confirmé via le numéro de modèle ou la fiche technique fournie dans la documentation de conception.

La plupart des IGBT incluent également une diode de roue libre (FWD), intégrée pour gérer le courant inverse pendant la commutation.Cette diode, représentée par le symbole de diode parasite, se connecte aux bornes du collecteur et de l'émetteur.Son objectif est de fournir un chemin sûr pour le courant inverse et de maintenir la protection des circuits pendant les transitions de tension.Si cela n'est pas spécifié dans la fiche technique, la diode est généralement supposée être présente dans le cadre de la conception de l'IGBT.

MOSFET contre IGBT : structure

Bien qu’ils se ressemblent extérieurement, leurs structures internes diffèrent dans la manière dont elles gèrent le courant et la tension.Les deux appareils disposent de trois bornes principales : porte (G), source/émetteur (S/E) et drain/collecteur (D/C) et fonctionnent par conduction contrôlée par la porte.

Structure MOSFET

Un MOSFET est avant tout un dispositif unipolaire, ce qui signifie que son fonctionnement dépend du mouvement d'un seul type de porteurs de charge (électrons ou trous).

Il est construit à partir de plusieurs couches semi-conductrices : une source n⁺, une région de dérive n⁻ et un corps p, tous formés sur un substrat n⁺.La grille est isolée du canal par une fine couche d'oxyde, qui agit comme une barrière diélectrique.

Lorsqu'une tension est appliquée à la grille, un champ électrique est généré qui permet au courant de circuler entre le drain (D) et la source (S).Cette structure permet une commutation à grande vitesse et est idéale pour les applications de faible à moyenne puissance, telles que les alimentations, les convertisseurs DC-DC et les entraînements de moteur.

Structure des IGBT

L'IGBT combine les meilleures caractéristiques d'un MOSFET et d'un transistor à jonction bipolaire (BJT).Structurellement, il ressemble à un MOSFET mais avec une couche de substrat p⁺ supplémentaire ajoutée du côté drain.Cette modification crée un chemin de conduction bipolaire, permettant une capacité de gestion de courant et de tension plus élevée.

À l'intérieur, l'IGBT comprend un tampon n⁺, une dérive n⁻, une base p et un émetteur n⁺.Cette construction hybride confère à l'IGBT une impédance d'entrée élevée (comme un MOSFET) tout en maintenant une faible chute de tension à l'état passant (comme un BJT).En conséquence, il fonctionne efficacement dans les systèmes haute puissance et haute tension, tels que les onduleurs, les entraînements industriels et les convertisseurs d'énergie renouvelable.

Circuit équivalent IGBT

Le circuit équivalent interne d'un IGBT peut être considéré comme un MOSFET pilotant un transistor bipolaire.La section MOSFET contrôle le courant de base de la partie BJT, permettant au courant de circuler entre le collecteur (C) et l'émetteur (E).

Identification du MOSFET et de l'IGBT

Catégorie	MOSFET (Transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur)	IGBT (Transistor bipolaire à grille isolée)
Apparence et Disposition des broches	Similaire dans apparition à l'IGBT ;broches de grille (G), de drain (D) et de source (S)	Similaire apparence;broches de porte (G), de collecteur (C) et d'émetteur (E)
Type de polarité	Canal N type amélioré couramment utilisé	Type NPN amorti IGBT couramment utilisé
Épingle Correspondance	Porte → G, Vidange → D, Source → S	Porte → G (même comme MOSFET), Collecteur → C (correspond à D du MOSFET), Émetteur → E (correspond au S du MOSFET)
Statique Méthode de mesure	Court-circuit broches pour décharger l'électricité statique en premier.Entre D et S, il y a une jonction PN. • Rgd = Rgs = Rds = ∞ • Rsd = plusieurs kΩ	Court-circuit broches pour décharger l'électricité statique en premier. • Rgc = Rge = ∞ • Rce = ∞ • Rec = plusieurs kΩ (dû à la diode d'amortissement)
Test statique Résultats	Jonction PN conduit dans une direction;coupure inversée dans le sens opposé	Diode d'amortissement donne une conduction unidirectionnelle et une coupure inversée
Qualité des tubes Chèque (statique)	Très petit résistance = claquage Très grande résistance = circuit ouvert	Même principe s'applique comme dans MOSFET
Dynamique Méthode de mesure	Appliquer une tension à porte pour créer un canal de conduction.Mesure entre D et S : Rds ≈ 0	Appliquer une tension à grille.Mesure entre C et E : Rce indique une résistance à l'état passant (quelques kΩ)
Test dynamique Résultats	Rds ou Rsd ≈ 0 (forte voie de conduction)	Rce et Rec sont plusieurs kΩ (conduction plus faible en raison de la structure interne)
Distinguer Critères	Résistance entre D et S est beaucoup plus petit (≈0)	Résistance entre C et E est plus élevé (plusieurs kΩ)

MOSFET contre IGBT : types

Catégorie	Taper	Description
Par type de canal	MOSFET canal N	Le courant circule à travers un canal de type n lorsqu'une tension positive est appliquée au grille.Il offre une résistance plus faible et une commutation plus rapide.Couramment utilisé dans alimentations à découpage et pilotes de moteur.
	MOSFET canal P	Le courant circule à travers un canal de type p lorsqu'une tension négative est appliquée au grille.Il a une résistance plus élevée que les types à canal N et est souvent utilisé sur le côté haut des circuits.
Par mode de Opération	Type d'amélioration MOSFET	Normalement à tension de grille nulle.Il conduit uniquement lorsqu'une tension de grille suffisante est appliqué.La plupart des MOSFET modernes appartiennent à ce type.
	Type d'épuisement MOSFET	Normalement allumé à tension de grille nulle.Il s'éteint lorsqu'une tension de grille opposée est appliquée. Utilisé dans des applications analogiques ou RF spéciales.

Catégorie	Taper	Description
Par structure	Perforation (PT) IGBT	Comprend un supplément couche tampon qui améliore la vitesse d'arrêt mais limite la plage de tension.Commun dans onduleurs haute fréquence.
	Sans perforation (NPT) IGBT	Manque un tampon couche, lui donnant une capacité de tension plus élevée et une meilleure stabilité thermique. Convient aux applications à vitesse moyenne et haute tension.
	Arrêt sur le terrain (FS) IGBT	Une conception moderne combinant les fonctionnalités PT et NPT, offrant un rendement élevé, une commutation rapide et faibles pertes.Largement utilisé dans les entraînements industriels et les convertisseurs de puissance.
En changeant Vitesse	IGBT rapide	Optimisé pour commutation rapide, souvent utilisée dans les circuits de chauffage par induction et SMPS.
	IGBT lent	Conçu pour les faibles fréquence de commutation mais capacité de courant élevée, comme dans le contrôle du moteur et systèmes de traction.

MOSFET vs IGBT : fonctionnement fonctionnel

Fonctionnement du MOSFET

Un MOSFET fonctionne comme un dispositif contrôlé en tension.Lorsqu'une tension est appliquée à la borne de grille, elle crée un champ électrique à travers une fine couche d'oxyde.Ce champ forme un canal conducteur entre les bornes de drain et de source, permettant au courant de circuler.

La conduction du courant dans un MOSFET repose sur des électrons porteurs majoritaires dans les types à canal N et sur des trous dans les types à canal P.Pour cette raison, les MOSFET peuvent commuter extrêmement rapidement avec une perte d'énergie minimale.Leur vitesse de commutation et leur efficacité élevées les rendent idéales pour les applications de faible et moyenne puissance telles que les convertisseurs DC-DC, les pilotes de moteur et les alimentations à découpage.

Fonctionnement de l'IGBT

Un IGBT combine le contrôle de grille simple d'un MOSFET avec la capacité de courant élevée d'un transistor bipolaire.Lorsqu'une tension est appliquée à la grille, la partie MOSFET s'active et permet au courant de passer du collecteur à l'émetteur à travers la structure bipolaire.

Contrairement aux MOSFET, la conduction du courant dans un IGBT implique à la fois des porteurs majoritaires et minoritaires.Cela se traduit par une chute de tension à l'état passant plus faible et une efficacité améliorée lors de la gestion de hautes tensions.Cependant, la présence de porteurs minoritaires entraîne des délais d’arrêt plus longs.Pour cette raison, les IGBT sont couramment utilisés dans les systèmes de moyenne à haute puissance tels que les onduleurs industriels, les entraînements de moteur et les alimentations sans interruption (UPS).

Un MOSFET fonctionne grâce à un champ électrique utilisant des porteurs majoritaires, ce qui permet une commutation plus rapide et des performances efficaces à basse tension.L'IGBT utilise à la fois des porteurs majoritaires et minoritaires, offrant une meilleure gestion du courant et un meilleur contrôle de la tension pour les applications haute puissance.

MOSFET contre IGBT : applications

Catégorie	MOSFET Applications	IGBT Applications
Alimentation Systèmes	• CC-CC convertisseurs • Commutation régulateurs • Basse tension alimentations	• Haute tension onduleurs • Alimentations sans coupure (UPS) • Convertisseurs de puissance industriels
Contrôle du moteur	• CC sans balais (BLDC) pilotes de moteur • Moteur pas à pas contrôleurs pour petites charges	• Moteur à courant alternatif lecteurs • Industriel commande de moteur à induction • Traction et entraînements d'ascenseur
Automobile Électronique	• Énergie électrique direction (EPS) • Électronique unités de contrôle (ECU) • CC-CC convertisseurs dans les véhicules électriques	• Électrique onduleurs de traction pour véhicules (VE) • Véhicule hybride systèmes électriques • Haute tension contrôle de la batterie
Consommateur Électronique	• Ordinateur portable et gestion de l'alimentation des smartphones • Batterie circuits de protection • Audio amplificateurs	• Intronisation chauffage • Four à micro-ondes onduleurs • Air entraînements pour climatiseurs et réfrigérateurs
Énergie renouvelable Systèmes	• Photovoltaïque (PV) contrôleurs de charge • Faible consommation étages d'onduleur	• Solaire et éolien onduleurs d'énergie • Lié au réseau convertisseurs pour le conditionnement d'énergie
Industriel Équipement	• Relais remplacements dans les circuits d'automatisation • Éclairage LED systèmes de contrôle	• Soudage machines • Entraînements à fréquence variable (VFD) • Contrôle de puissance pour machinerie lourde
Communication Systèmes	• Amplificateurs RF • Faible bruit circuits de commutation	• Borne de base amplificateurs de puissance • Haute tension commutation de signaux
Utilisation générale	• Commutation rapide circuits • Faible à moyen contrôle de puissance	• Haute puissance conversion • Systèmes à grande échelle économes en énergie

MOSFET vs IGBT : avantages et inconvénients

Avantages du MOSFET

Les MOSFET offrent des vitesses de commutation très élevées et nécessitent une faible puissance de commande de grille, ce qui les rend idéaux pour les circuits haute fréquence tels que les alimentations à découpage, les convertisseurs DC-DC et les amplificateurs de classe D.Leur grille contrôlée en tension consomme un courant minimal, ce qui permet une conception de pilote simple et efficace.À des tensions plus basses, les MOSFET offrent de faibles pertes de conduction car leur résistance à l'état passant est purement résistive.Ils présentent également un coefficient de température positif, qui améliore le partage du courant lorsque les appareils sont utilisés en parallèle.Combinés à une forte stabilité thermique et à une réponse rapide, les MOSFET fonctionnent mieux dans les systèmes fonctionnant en dessous de 300 volts.

Inconvénients du MOSFET

Le principal inconvénient des MOSFET apparaît dans les applications haute tension ou courant élevé.Leur résistance à l'état passant augmente avec la tension nominale, ce qui entraîne des pertes de conduction plus importantes et une efficacité moindre à des niveaux de puissance plus élevés.Ils sont également sensibles aux décharges électrostatiques (ESD) et nécessitent une protection adéquate du portail.Dans les circuits haute tension, les transitions de commutation peuvent devenir plus lentes, réduisant légèrement les performances par rapport à leur fonctionnement basse tension.

Avantages de l'IGBT

Les IGBT combinent l'impédance d'entrée élevée des MOSFET avec la faible tension de saturation des transistors bipolaires, offrant d'excellentes performances dans les systèmes de moyenne à haute puissance.Ils gèrent efficacement les hautes tensions et les courants importants, ce qui les rend adaptés aux onduleurs, aux entraînements de moteur, au chauffage par induction et aux convertisseurs d'énergie renouvelable.Les IGBT offrent également de faibles pertes de conduction à haute tension, une forte durabilité thermique et un fonctionnement stable sous de lourdes charges.Leurs caractéristiques de commutation plus fluides contribuent à réduire les interférences électromagnétiques (EMI), améliorant ainsi la stabilité et la fiabilité du système.

Inconvénients de l'IGBT

Bien que les IGBT fonctionnent bien à puissance élevée, ils fonctionnent à des vitesses de commutation plus lentes que les MOSFET.Cela entraîne des pertes de commutation plus élevées, en particulier lors de la mise hors tension.Leur zone de fonctionnement sûre (SOA) étroite nécessite une conception minutieuse pour éviter toute surchauffe ou panne.En raison de ces facteurs, les IGBT ne sont pas idéaux pour les applications à très haute fréquence, où les MOSFET fournissent de meilleurs résultats.

MOSFET ou IGBT : lequel utiliser ?

Choisissez MOSFET si :

• Nécessite une commutation à grande vitesse à des fréquences supérieures à 100 kHz

• Le système fonctionne à basse ou moyenne tension (inférieure à 300 V)

• Nécessitent de faibles pertes de commutation et un rendement élevé

• La conception implique des convertisseurs DC-DC, des SMPS ou des circuits RF.

• Construire des appareils portables ou alimentés par batterie

• Vous privilégiez une réponse rapide et une faible consommation d'énergie

Choisissez l'IGBT si :

• Votre circuit fonctionne en moyenne à haute tension (au-dessus de 600 V)

• Travailler avec des équipements à courant élevé ou à haute puissance

• La fréquence de commutation est inférieure à 25 kHz

• Nécessite des performances robustes et une stabilité thermique élevée

• L'application se concentre sur les systèmes industriels ou lourds

• Vous souhaitez minimiser la perte de conduction à haute tension

Analyse du marché des MOSFET et des IGBT

Les MOSFET et les IGBT sont les principaux dispositifs dans ce domaine, largement utilisés pour fournir une alimentation stable aux appareils électroniques industriels, automobiles et grand public.Le contrôle industriel détient la plus grande part de marché avec 34 %, suivi par les secteurs de l'automobile et des communications avec 23 % chacun, et de l'électronique grand public avec 20 %.

Le marché mondial des semi-conducteurs de puissance a atteint environ 39,1 milliards de dollars en 2018 et devrait atteindre 44,1 milliards de dollars d'ici 2021, avec une croissance de 4,1 %.Les MOSFET et les IGBT restent les segments qui connaissent la croissance la plus rapide en raison de leur utilisation croissante dans les énergies renouvelables, les réseaux intelligents et les véhicules électriques.

Les MOSFET offrent une faible résistance, une commutation rapide et un rendement élevé, ce qui les rend idéaux pour les smartphones, les PC, les véhicules électriques et les systèmes UPS.Le marché mondial des MOSFET est passé de 6,2 milliards de dollars en 2016 à près de 7,5 milliards de dollars en 2022.

Les IGBT combinent le contrôle des MOSFET avec la capacité actuelle des BJT, adaptés aux systèmes haute tension tels que les entraînements de moteur, les onduleurs et les alimentations.

La demande d’appareils de recharge rapide et de véhicules électriques continue de stimuler la croissance.Dans les véhicules électriques, les semi-conducteurs de puissance représentent environ 55 % de la valeur totale des semi-conducteurs, soit environ 413 USD par véhicule, soit près de six fois celui des voitures traditionnelles.

Conclusion

En résumé, les MOSFET et les IGBT sont essentiels au contrôle efficace de l’énergie et à la conversion de puissance dans la technologie actuelle.Les MOSFET conviennent parfaitement aux circuits haute vitesse et basse tension, offrant une réponse rapide et de faibles pertes.Les IGBT, en revanche, sont idéaux pour les applications haute puissance et haute tension en raison de leur forte capacité de gestion du courant et de leur stabilité.À mesure que les industries se tournent vers les énergies renouvelables, les véhicules électriques et les systèmes électriques plus intelligents, la demande pour ces deux appareils continuera de croître.Le choix entre MOSFET et IGBT dépend de la tension, de la fréquence et du niveau de puissance requis.

Foire aux questions [FAQ]

1. Quel est l'objectif principal d'un MOSFET en électronique ?

Un MOSFET contrôle le flux de courant électrique dans les circuits.Il agit comme un commutateur électronique rapide, utilisé dans les alimentations, les amplificateurs et les systèmes logiques numériques pour un contrôle efficace de la tension et du courant.

2. Pourquoi un IGBT est-il préféré dans les applications haute puissance ?

Les IGBT gèrent efficacement la haute tension et le courant tout en maintenant une faible perte de puissance.Leur conception hybride leur permet de gérer de lourdes charges, ce qui les rend idéaux pour les entraînements motorisés, les onduleurs et les véhicules électriques.

3. Les MOSFET et les IGBT peuvent-ils être utilisés ensemble dans le même circuit ?

Oui.Certains systèmes utilisent des MOSFET pour une commutation rapide et des IGBT pour un contrôle haute puissance.La combinaison des deux peut équilibrer vitesse et efficacité énergétique dans des conceptions complexes de convertisseurs et d’onduleurs.

4. Qu'est-ce qui cause l'échec d'un MOSFET ?

Les MOSFET peuvent échouer en raison d'une surchauffe, d'une surtension ou d'une décharge électrostatique (ESD).L'utilisation de dissipateurs thermiques, d'une protection de grille appropriée et de limites de commutation sûres permet d'éviter les dommages.

5. Un IGBT est-il plus rapide qu'un MOSFET ?

Non. Les MOSFET commutent plus rapidement que les IGBT car ils n'utilisent qu'un seul type de porteur de charge.Les IGBT sont plus lents mais conviennent mieux à la gestion de tensions et de courants plus élevés.

6. Quel appareil est le meilleur pour les circuits basse tension, MOSFET ou IGBT ?

Les MOSFET conviennent mieux aux circuits basse tension inférieurs à 300 V. Ils offrent une vitesse de commutation plus élevée, une perte de puissance moindre et sont plus efficaces pour les systèmes de petite à moyenne puissance.

7. Comment identifier un MOSFET ou un IGBT sans fiche technique ?

Vous pouvez les identifier en étiquetant les broches ou en mesurant la résistance entre les bornes.Les MOSFET présentent généralement une résistance plus faible entre le drain et la source, tandis que les IGBT ont une résistance plus élevée entre le collecteur et l'émetteur.