的可行性分析

BrillianceElectric用IGBTs替代MOSFETs的可行性分析赵忠礼孟玉茹译JonathanDodge,AdvancedPowerTechnology,Bend,USA在某些特定应用中，相对于MOSFETS而言，SMPS专用IGBTS有着价格/性能优势。在高压、小电流和高频（150KHZ或更高）应用中，MOSFETS依然占优势。在高压、大电流、频率低于200KHZ（软开关除外）的应用中，IGBTS占绝对优势。当用SMPS专用IGBTS取代MOSFETS时，考虑其性能差别，将是十分必要的。APT的功率MOS7IGBTS已经解决了高压MOSFETS（击穿电压为200V或更高）的两个主要弊端：导通电阻高和导通电阻对温度很强的依赖性。图1中，与相同尺寸的MOSFETS相比，IGBTS的导通压降对应的导通电阻和温度系数有明显改进。在室温、30A条件下，IGBTS的等效导通电阻为90mΩ，相同尺寸的MOSFETS导通电阻为240mΩ，IGBTS比MOSFETS改进了2.7倍。在125℃时，IGBTS对应的导通电阻比MOSFETS低5.6倍。这是IGBT的第二个优势，导通压降随温度变化小。图1：相同尺寸的功率MOS7MOSFET和IGBT在15V栅偏压下，电流-开态电压曲线低导通损耗的折中方案关断时，IGBTS储存的少数载流子导致了拖尾电流。与MOSFETS相比，由于拖尾电流增加了IGBTS的关断时间和损耗，所以拖尾电流是IGBTS的主要弊端。功率MOS7系列的穿通型IGBTS利用了有效地少子寿命控制技术，快速的复合了IGBTS中的少子，明显地减小了拖尾电流。在寿命控制和导通压降之间，存在一个折中方案。关断速度越快，关断能量（Eoff）越BrillianceElectric低。导通压降越高，导通损耗越高。图2显示了归一化Eoff～VCE(on)曲线（在600V功率MOS7IGBTS的典型VCE(on)范围内）。在IGBT工艺技术中，可使Eoff和VCE(on)进行折中。总的好处就是允许功率MOS7IGBTS在广泛的应用中取代MOSFETS。在性能改进方面，IGBT比MOSFET存在更大的改进空间，因此IGBTS取代高压MOSFETS的趋势将继续。电压额定值低于500V的MOSFETS将被具有价格/性能优势的IGBTS取代，今后可能降到200V。图2：25℃600V的功率MOS7IGBTS归一化关断能量对导通压降曲线器件并联时，VCE(on)的不同强烈影响了电流分配。并联的各MOSFETS器件RDS(on)有些不同，但变化量是很小的。当PTIGBTS并联时，建议要按VCE(on)进行分类，而MOSFETS一般不需要进行分类。PTIGBTS并联时，VCE(on)的温度系数的影响是次要的，VCE(on)的不同才是主要的。何时使用IGBT在母线电压为200V或更高的应用中，IGBT是很好的选择。一般说来，600V和900V功率MOS7IGBTS可以用在200KHZ或低于200KHZ的硬开关应用中，而1200VIGBTS可用在50KHZ或低于50KHZ的硬开关应用中。事实上，IGBTS的开启速度和MOSFETS是近似的，这使得IGBTS更适合软开启应用，如相移桥。就像MOSFETS一样，软开启可明显扩展IGBTS的使用频率。在需要从发射极向集电极传导电流这样的相移桥应用中，可以在同一个封装中，用IGBT和反并联二极管复合。复合器件中二极管的特性远远高于MOSFET的体二极管。由于有效地寿命控制，PTIGBTS能够很好的用于软关断，但是关断时间会好，因为它具有更短的关断延迟和电流下降时间。总的来说，在小电流、高频或高效应用中，MOSFETS击败了IGBTS。在相同电压电流下，BrillianceElectricMOSFET芯片面积远大于IGBT，因此具有更高的成本。IGBTS和MOSFETS就类似于经济型车和跑车的价格/性能。IGBTS对MOSFETS的主要优势就是较低的成本。在一定的工作条件下，还有高效率和高功率密度优势。应用举例在硬开关应用中，如PFC升压变换器输出电压为400V的应用中，IGBTS是明智的选择。基于感应开关测试的仿真，比较了两个并联的APT5024BLL(500V、22A),单一的APT5014B2LL(500V、35A)和单一APT30GP60B(600V、49A)MOS7PTIGBT的性能。条件是：400V输出电压，18A的开关电流，125℃结温,15V的栅驱动电压，10Ω的栅电阻是对每个APT5024BLLMOSFETS和APT30GP60B而言，对于APT5014B2LL,是5Ω的栅电阻。结果如图3所示。请注意，这里的仿真条件是：工作频率为50、100、150、200KHZ硬开关升压变换器，器件和散热器之间加有绝缘垫片。图3：两个并联的MOSFETS与单一IGBTS导通损耗和开关损耗的对比由于电导调制作用，IGBT具有低的导通损耗。功率MOS7IGBT的低导通损耗有效弥补了它的高开关损耗。对于高达150KHZ的应用，IGBTS和MOSFETS的总功耗是近似的。较高的IGBT开关损耗是由于较高的关断能量，MOSFETS和IGBTS的开启能量几乎是一样的。当然,IGBT也可用于200KHZ的应用中，并且比MOSFETS的成本低得多。APT5024BLL具有和APT30GP60B相同的芯片尺寸，因为在50KHZ以上需要两个APT5024BLL器件，所以它是更昂贵的，单一的APT5014B2LLMOSFET也是如此。请记住，如果总的功耗近似，IGBTS的尺寸越BrillianceElectric小，比MOSFETS引起的温升越高。注意，图3中，在150KHZ以上，IGBT的导通损耗只是总功耗中很小的一部分。选择大的IGBT不会减小开关损耗，反而会增加，除非调整栅电阻来弥补较高的栅电荷。因此，在硬开关工作在150KHZ或更高的应用中，选择大的IGBT来减小总的功耗将导致非常小的功耗降低。MOSFETS就不是这种情况，即使是200KHZ，导通损耗依然是总功耗中很重要的一部分。因次，IGBTS取代MOSFETS的昀优频率范围是150KHZ左右或低于150KHZ的硬开关应用和300KHZ左右的软开关。栅驱动图4：栅驱动的需要功率MOS7IGBTS利用了一个独特的平面叉指金属多晶双层栅结构。已证明，平面叉指布局在高温时具有较高的可靠性，并且对于制造缺陷有很高的容限。金属多晶双层栅造成了很低的等效栅电阻，增强了桥式电路的抗dv/dt感应误导通能力，而且在快速开关中能使栅均匀开启。总的结果就是非常可靠，而且可以通过调整栅电阻和/或铁氧体磁珠在大范围内控制开关速度。功率MOS7IGBTS的其它特点就是极低的栅电荷和反向传输电容，同时具有功率MOS7MOSFETS的特点，导致了工业上领先的开关速度。IGBTS的驱动设计和MOSFETS是相似的。一般情况下，就像MOSFETS一样不需要负的栅偏压，但特殊情况下也可能使用。由于IGBT的芯片面积比MOSFET小，因此栅电荷较低，使得IGBT驱动功耗较小。