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1、IGBT SMPS APPLICATIONIGBT 替代 MOSFETJon atha n Dodge, Adva need Power Tech no logy. Bend, USA深圳市晴轩电子有限公司徐立刚（译）摘要：新型SMPSGBT在一些特定的应用上比MOSFE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勺主要 区别之处有助于成功的使用低成本的IGBT替代MOSFETAbstract:New SMPS IGBTs have a c
2、ost/performa nee adva ntage over MOSFETs in certainapplicati ons. High voltage MOSFETs still shine at relatively low curre nt and high freque ncy （150kHz and higher）. IGBTs domin ate at higher curre nt and freque ncies gen erally below 200kHz uni ess soft switched. Paying atte nti on to key differe
3、nces whe n replaci ng MOSFETs with lower cost IGBTs will help en sure success.深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATIONAPT的MO?7 IGBT解决了高压 MOSFET200V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所示为与相同芯片面积的 MOSFE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 MOSFE
4、T勺最大电阻是 240 ，室温 下其电阻是IGBT的2.7倍。在125度 的时候，IGBT要比MOSFE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MOSFE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 (PT型)IG
5、BT在VCE(on)典型操作范围内010髯*st Vollagft i Vsll wl凶502U10图1:相同芯片面积的 MOSFET 和IGBT的电流一导通压降曲线的 Eoff -VVCE(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勺倾向将一直持续下去，因为 和MOSFE相比，IGBT性能上还有很大 的提升空间。500V以下，至200V的 MOSFE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。MOSFE各个元 件的R)S(on)也有不同，但这种差异的数 量级比较
6、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深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION图 2: 25 度时 600V MOS7 IGBT 的 Eoff VCE（on）Cmductkin and Swilehing Lxscm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
7、 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 MOSFE相 同，这使得IGBT非常适用于软开通的 状态例如移相桥。如MOSFE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MOSFE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
8、关断时间仍然要比MOSFE要 长，因为少子的复合仍然是需要时间 的。MOSFE在软开关应用中能做到很 咼的频率是因为它关断时间和电流下 降时间更短。通常来说，在十分高频率或小电流 高功效的应用中，MOSFE要优于IGBT。 原因是在每个应用区域中，与IGBT相 比, MOSFE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，MOSFE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 MOSFE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-BOOS电路中，IGBT
9、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 MOSFETAPT5024BLL 500V, 22A ; 一个第七代 MOSFET APT5014B2LL 500V, 35A; 一个第七 代 PT型 IGBT,APT30GP60JB600V,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 APT5024BL和 APT30GP60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寸的结果， 而且元件和散热器间
10、装了绝缘片。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 MOSFE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MOSFE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 MOSFETAPT5024BL的芯片 面积和APT30GP60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
11、，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 MOSFE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勺硬开关应用中，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 经被证实在咼温环境下有最咼的可靠 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
12、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 MOSFE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 臵。这种IGBT在驱动方面和 MOSFE是 很类似的。像MOSFE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。深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION图4:门极驱动需求深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION深圳晴轩电子有限公司IGBT SMPS APPLICATION不适用，因为MOSFE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MOSFE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。平板条纹设计已深圳晴轩电子有限公司