IGBT替代MOSFET的原理分析与应用实例

时间:2016-07-20 16:24来源:网络转载 作者:佚名 点击:
IGBT 替代 MOSFET 摘 要:新型SMPS IGBT在一些特定的应用上比MOSFET有更好的性能价格比。高压MOSFET在相对小电流和高频(150kHz及更高频率)的应用中仍有优势。
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摘  要:新型SMPS IGBT在一些特定的应用上比MOSFET有更好的性能价格比。高压MOSFET在相对小电流和高频(150kHz及更高频率)的应用中仍有优势。除了软开关,IGBT在大电流和频率小于200k以下的应用中占主导地位。注意IGBT与MOSFET的主要区别之处有助于成功的使用低成本的IGBT替代MOSFET。
Abstract: New SMPS IGBTs have a cost/performance advantage over MOSFETs in certain applications. High voltage MOSFETs still shine at relatively low current and high frequency (150kHz and higher). IGBTs dominate at higher current and frequencies generally below 200kHz unless soft switched. Paying attention to key differences when replacing MOSFETs with lower cost IGBTs will help ensure success.
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  APT的MOS@7 IGBT解决了高压MOSFET(200V或更高的BVDSS)的两个主要的缺点:导通电阻及其对温度的依赖性。

图1:相同芯片面积的MOSFET和IGBT的电流—导通压降曲线
图1所示为与相同芯片面积的MOSFET相比,IGBT的导通电阻和它的温度系数都有较大的改善。在30A的时候,从图1可以看出,IGBT的最高实际电阻是90m,而相同芯片面积的MOSFET的最大电阻是240 m,室温下其电阻是IGBT的2.7倍。在125度的时候,IGBT要比MOSFET的导通电阻低5.6倍。这是IGBT的第二点重要优势:导通压降随温度变化的幅度很小。
低导通损耗的平衡
IGBT关断时少子的复合产生了拖尾电流。拖尾电流是IGBT的主要缺点,因为和MOSFET相比,它增加了关断时间和关断损耗。PT型IGBT,如第7代IGBT,采用了有效的少子寿命控制工艺,它能加快少子的复合,极大的减小了拖尾电流。
而寿命控制和导通压降是相矛盾的。加快关断会减小关断损耗,即Eoff,但是会增加导通压降,从而导致导通损耗的增加。图2是600V MOS 7 (PT型)IGBT在VCE(on)典型操作范围内的Eoff -VCE(on)曲线。Eoff 和VCE(on)的平衡和IGBT技术上的革新使得第七代IGBT可以在很多应用中取代MOSFET。这种用IGBT来替代高压MOSFET的倾向将一直持续下去,因为和MOSFET相比,IGBT性能上还有很大的提升空间。500V以下,至200V的
MOSFET在性能价格比方面将被IGBT超过。每个元件的VCE(on)是不同的,而它在并联时会影响均流。MOSFET各个元件的RDS(on)也有不同,但这种差异的数量级比较小。在并联PT型IGBT时,我们推荐按照VCE(on)来分类,而MOSFET通常不需要分类。在并联时PT型IGBT VCE(on)的温度系数实际上是次要因素,VCE(on)的不同才是主要因素。
何时使用IGBT
在母线电压等于或大于200V的时候,使用IGBT是个很好的选择。通常来说,600V和900V的第七代IGBT适用于硬开关频率等于或小于200kHZ的应用,1200V的IGBT适用于硬开关频率等于或小于50kHZ的应用。
这种IGBT的开通速度和MOSFET相同,这使得IGBT非常适用于软开通的状态例如移相桥。如MOSFET一样,软开通能显著的扩大IGBT的工作频率范围。这些IGBT的一个优点是他们的发射极和集电极之间没有电流流过。在发射极和集电极之间需要有电流流过的应用中,例如移相桥,可以在一个模块中复合一个IGBT和一个反并联二极管。在这种复合型元件中的二极管的性能要远远优于MOSFET的寄生二极管。

PT型IGBT能在软关断状态下工作的很好,是因为它的寿命控制工艺,但是它的关断时间仍然要比MOSFET要长,因为少子的复合仍然是需要时间的。MOSFET在软开关应用中能做到很高的频率是因为它关断时间和电流下降时间更短。
图2:25度时600V MOS7 IGBT的Eoff—VCE(on曲线
通常来说,在十分高频率或小电流高功效的应用中,MOSFET要优于IGBT。原因是在每个应用区域中,与IGBT相比,MOSFET使用了更多的半导体区域,而这样也大大的提升了成本。打个比方,MOSFET与IGBT性价比类似于一辆跑车和一辆经济型汽车的性价比。IGBT和MOSFET相比主要的优势是低成本。某些工作条件下,IGBT的高功效和功率密度也是它的优点。
 
应用实例
在硬开关应用中,例如在母线电压为400V的PFC-BOOST电路中,IGBT是个明确的选择。通过基于感应开关的仿真测试以下元件的性能:两个并联第七代MOSFET,APT5024BLL,500V,22A;一个第七代MOSFET,APT5014B2LL,500V,35A;一个第七代PT型IGBT,APT30GP60B,600V,49A。
测试条件是输出电压400V,开关电流18A,结温125度,门极驱动15V,每个APT5024BLL和APT30GP60B的门极
电阻是10欧姆,APT5014B2LL的门极电阻是5欧姆。结果如图3所示。要注意的是仿真的是BOOST变换器工作在50、100、150和200KHZ时的结果,而且元件和散热器间装了绝缘片。


图3:两个并联的MOSFET和一个IGBT的导通损耗和开关损耗的比较
IGBT有最小的导通损耗,这是由于其本身具有的导通调制(双向载流子)。第七代IGBT的较低的导通损耗有效的弥补了它较大的开关损耗。在150kHZ的时候,IGBT和MOSFET的总损耗是比较接近的。IGBT较大的开关损耗是由关断损耗大所引起的,而其开通损耗与MOSFET几乎相等。
IGBT是肯定可以在这种应用中使用,甚至工作在200KHZ,IGBT的成本也要低于MOSFET。APT5024BLL的芯片面积和APT30GP60B相同,并且因为两个APT5024BLL都要工作在50KHZ以上,所以这种选择比较贵。同样,选用APT5014B2LL也是这样。必须要记住的是,因为IGBT的芯片面积比较小,在总损耗相同的时候IGBT的温升要比MOSFET要高。
图3中,我们看到,在大于150kHZ的时候IGBT的导通损耗只占总损耗的
很小一部分。选择更大的IGBT并不能减小开关损耗,相反可能还会增加,除非调整门极电阻来适应更大的门极充电电荷。因此,在开关频率为等于或大于150KHZ的硬开关应用中,通过选用更大等级的IGBT来减小总损耗,其效果是很微弱的。但这对于MOSFET

 
 
图4:门极驱动需求
 
 

不适用,因为MOSFET的导通损耗占总损耗的很大一部分,即使是在200kHZ的时候也是如此。所以用IGBT来替代MOSFET的最合适的频率范围如下:硬开关频率等于或小于150K,软开关频率小于300K。
 
门极驱动
第七代IGBT利用的独特的金属门极和平板条纹设计。平板条纹设计已经被证实在高温环境下有最高的可靠性并有承受制造缺陷的能力。金属门极使得元件的等效门极电阻很低,它使得元件在桥式电路中开通时对dv/dt的承受能力变强,变的更快速,提高了门极驱动的一致性。总而言之就是高可靠性和在比较大的范围内通过调节门极阻抗来控制开关速度的能力。第七代IGBT其他的一些优点就是有极其低的门极充电电荷和反向转移电容,这些优点是来自于第七代MOSFET的技术,这样就决定了在开关速度方面我们在行业内处于领先位置。
这种IGBT在驱动方面和MOSFET是很类似的。像MOSFET一样,是不需要加负压的,但加负压也可以正常工作。通过用小芯片面积的IGBT来替代芯片面积较大的MOSFET,这样门极电荷较小,所需要的门极驱动功率也减小。

(责任编辑:妙工科技)
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