鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量:0次 | 2019年12月26日
在SMPS應(yīng)用中選擇IGBT和MOSFET的比較
開關(guān)電源(SwitchModePowerSupply;SMPS)的性能在很大程度上依賴于功率半導(dǎo)體器件的選擇,即開關(guān)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(duì)特定SMPS應(yīng)用中的IGBT和MOSFET進(jìn)行性能比較,確定關(guān)鍵參數(shù)的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行探討,如硬開關(guān)和軟開關(guān)ZVS(零電壓轉(zhuǎn)換)拓?fù)渲械拈_關(guān)損耗,并對(duì)電路和器件特性相關(guān)的三個(gè)主要功率開關(guān)損耗—導(dǎo)通損耗、傳導(dǎo)損耗和關(guān)斷損耗進(jìn)行描述。此外,還通過舉例說明二極管的恢復(fù)特性是決定MOSFET或IGBT導(dǎo)通開關(guān)損耗的主要因素,討論二極管恢復(fù)性能對(duì)于硬開關(guān)拓?fù)涞挠绊憽?/p>
SMPS的進(jìn)展
一直以來,離線式SMPS產(chǎn)業(yè)由功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的功率元件發(fā)展所推動(dòng)。作為主要的功率開關(guān)器件IGBT、功率MOSFET和功率二極管正不斷改良,相應(yīng)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(duì)應(yīng)用性能的這種直接影響,SMPS設(shè)計(jì)人員必須比較不同半導(dǎo)體技術(shù)的各種優(yōu)缺點(diǎn)以優(yōu)化其設(shè)計(jì)。例如,MOSFET一般在較低功率應(yīng)用及較高頻應(yīng)用(即功率《1000W及開關(guān)頻率≥100kHz)中表現(xiàn)較好,而IGBT則在較低頻及較高功率設(shè)計(jì)中表現(xiàn)卓越。為了做出真實(shí)的評(píng)估,筆者在SMPS應(yīng)用中比較了來自飛兆半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的器件水平。
導(dǎo)通損耗
除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長外,IGBT和功率MOSFET的導(dǎo)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(shí)間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾(voltagetail)出現(xiàn)。
這種延遲引起了類飽和(Quasi-saturation)效應(yīng),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(yīng)也導(dǎo)致了在ZVS情況下,在負(fù)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(huì)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(shí)間積分,單位為焦耳,包含了與類飽和相關(guān)的其他損耗。其又分為兩個(gè)Eon能量參數(shù),Eon1和Eon2。Eon1是沒有包括與硬開關(guān)二極管恢復(fù)損耗相關(guān)能耗的功率損耗;Eon2則包括了與二極管恢復(fù)相關(guān)的硬開關(guān)導(dǎo)通能耗,可通過恢復(fù)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(gè)脈沖進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換來測量Eon。第一個(gè)脈沖將增大電感電流以達(dá)致所需的測試電流,然后第二個(gè)脈沖會(huì)測量測試電流在二極管上恢復(fù)的Eon損耗。