鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2019年12月26日
在SMPS應用中選擇IGBT和MOSFET的比較
開關電源（SwitchModePowerSupply；SMPS）的性能在很大程度上依賴于功率半導體器件的選擇，即開關管和整流器。雖然沒有萬全的方案來解決選擇IGBT還是MOSFET的問題，但針對特定SMPS應用中的IGBT和MOSFET進行性能比較，確定關鍵參數(shù)的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數(shù)進行探討，如硬開關和軟開關ZVS（零電壓轉(zhuǎn)換）拓撲中的開關損耗，并對電路和器件特性相關的三個主要功率開關損耗—導通損耗、傳導損耗和關斷損耗進行描述。此外，還通過舉例說明二極管的恢復特性是決定MOSFET或IGBT導通開關損耗的主要因素，討論二極管恢復性能對于硬開關拓撲的影響。
SMPS的進展
一直以來，離線式SMPS產(chǎn)業(yè)由功率半導體產(chǎn)業(yè)的功率元件發(fā)展所推動。作為主要的功率開關器件IGBT、功率MOSFET和功率二極管正不斷改良，相應地也是明顯地改善了SMPS的效率，減小了尺寸，重量和成本也隨之降低。由于器件對應用性能的這種直接影響，SMPS設計人員必須比較不同半導體技術的各種優(yōu)缺點以優(yōu)化其設計。例如，MOSFET一般在較低功率應用及較高頻應用（即功率《1000W及開關頻率≥100kHz）中表現(xiàn)較好，而IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現(xiàn)卓越。為了做出真實的評估，筆者在SMPS應用中比較了來自飛兆半導體的IGBT器件FGP20N6S2（屬于SMPS2系列）和MOSFET器件FCP11N60（屬于SuperFET產(chǎn)品族）。這些產(chǎn)品具有相近的芯片尺寸和相同的熱阻抗RθJC，代表了功率半導體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的器件水平。
導通損耗
除了IGBT的電壓下降時間較長外，IGBT和功率MOSFET的導通特性十分類似。由基本的IGBT等效電路（見圖1）可看出，完全調(diào)節(jié)PNPBJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時間導致了導通電壓拖尾（voltagetail）出現(xiàn)。
這種延遲引起了類飽和（Quasi-saturation）效應，使集電極/發(fā)射極電壓不能立即下降到其VCE（sat）值。這種效應也導致了在ZVS情況下，在負載電流從組合封裝的反向并聯(lián)二極管轉(zhuǎn)換到IGBT的集電極的瞬間，VCE電壓會上升。IGBT產(chǎn)品規(guī)格書中列出的Eon能耗是每一轉(zhuǎn)換周期Icollector與VCE乘積的時間積分，單位為焦耳，包含了與類飽和相關的其他損耗。其又分為兩個Eon能量參數(shù)，Eon1和Eon2。Eon1是沒有包括與硬開關二極管恢復損耗相關能耗的功率損耗；Eon2則包括了與二極管恢復相關的硬開關導通能耗，可通過恢復與IGBT組合封裝的二極管相同的二極管來測量，典型的Eon2測試電路如圖2所示。IGBT通過兩個脈沖進行開關轉(zhuǎn)換來測量Eon。第一個脈沖將增大電感電流以達致所需的測試電流，然后第二個脈沖會測量測試電流在二極管上恢復的Eon損耗。
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