在SMPS應(yīng)用中選擇IGBT和MOSFET的比較

　　開關(guān)電源 （Switch Mode Power Supply；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，但針對特定SMPS應(yīng)用中的IGBT 和 MOSFET進行性能比較，確定關(guān)鍵參數(shù)的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數(shù)進行探討，如硬開關(guān)和軟開關(guān)ZVS （零電壓轉(zhuǎn)換） 拓撲中的開關(guān)損耗，并對電路和器件特性相關(guān)的三個主要功率開關(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)性能對于硬開關(guān)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(dǎo)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(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。由于器件對應(yīng)用性能的這種直接影響，SMPS設(shè)計人員必須比較不同半導(dǎo)體技術(shù)的各種優(yōu)缺點以優(yōu)化其設(shè)計。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)計中表現(xiàn)卓越。為了做出真實的評估，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)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾（voltage tail）出現(xiàn)。

　　圖1 IGBT等效電路

　　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(guān)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(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通過兩個脈沖進行開關(guān)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(fù)的Eon損耗。

　　圖2 典型的導(dǎo)通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eoff 測試電路

　　開關(guān)電源 （Switch Mode Power Supply；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，但針對特定SMPS應(yīng)用中的IGBT 和 MOSFET進行性能比較，確定關(guān)鍵參數(shù)的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數(shù)進行探討，如硬開關(guān)和軟開關(guān)ZVS （零電壓轉(zhuǎn)換） 拓撲中的開關(guān)損耗，并對電路和器件特性相關(guān)的三個主要功率開關(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)性能對于硬開關(guān)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(dǎo)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(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。由于器件對應(yīng)用性能的這種直接影響，SMPS設(shè)計人員必須比較不同半導(dǎo)體技術(shù)的各種優(yōu)缺點以優(yōu)化其設(shè)計。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)計中表現(xiàn)卓越。為了做出真實的評估，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)PNP BJT集電極基極區(qū)的少數(shù)載流子所需的時間導(dǎo)致了導(dǎo)通電壓拖尾（voltage tail）出現(xiàn)。

　　圖1 IGBT等效電路

　　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(guān)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(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通過兩個脈沖進行開關(guān)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(fù)的Eon損耗。

　　圖2 典型的導(dǎo)通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eoff 測試電路

　　在硬開關(guān)導(dǎo)通的情況下，柵極驅(qū)動電壓和阻抗以及整流二極管的恢復(fù)特性決定了Eon開關(guān)損耗。對于像傳統(tǒng)CCM升壓PFC電路來說，升壓二極管恢復(fù)特性在Eon （導(dǎo)通） 能耗的控制中極為重要。除了選擇具有最小Trr和QRR的升壓二極管之外，確保該二極管擁有軟恢復(fù)特性也非常重要。軟化度 （Softness），即tb/ta比率，對開關(guān)器件產(chǎn)生的電氣噪聲和電壓尖脈沖 （voltage spike） 有相當?shù)挠绊?。某些高速二極管在時間tb內(nèi)，從IRM（REC）開始的電流下降速率（di/dt）很高，故會在電路寄生電感中產(chǎn)生高電壓尖脈沖。這些電壓尖脈沖會引起電磁干擾（EMI），并可能在二極管上導(dǎo)致過高的反向電壓。

　　在硬開關(guān)電路中，如全橋和半橋拓撲中，與IGBT組合封裝的是快恢復(fù)管或MOSFET體二極管，當對應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通時二極管有電流經(jīng)過，因而二極管的恢復(fù)特性決定了Eon損耗。所以，選擇具有快速體二極管恢復(fù)特性的MOSFET十分重要，如飛兆半導(dǎo)體的FQA28N50F FRFETTM。不幸的是，MOSFET的寄生二極管或體二極管的恢復(fù)特性比業(yè)界目前使用的分立二極管要緩慢。因此，對于硬開關(guān)MOSFET應(yīng)用而言，體二極管常常是決定SMPS工作頻率的限制因素。

　　一般來說，IGBT組合封裝二極管的選擇要與其應(yīng)用匹配，具有較低正向傳導(dǎo)損耗的較慢型超快二極管與較慢的低VCE（sat）電機驅(qū)動IGBT組合封裝在一起。相反地，軟恢復(fù)超快二極管，如飛兆半導(dǎo)體的StealthTM系列，可與高頻SMPS2開關(guān)模式IGBT組合封裝在一起。

　　除了選擇正確的二極管外，設(shè)計人員還能夠通過調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動導(dǎo)通源阻抗來控制Eon損耗。降低驅(qū)動源阻抗將提高IGBT或MOSFET的導(dǎo)通 di/dt及減小Eon損耗。Eon損耗和EMI需要折中，因為較高的di/dt 會導(dǎo)致電壓尖脈沖、輻射和傳導(dǎo)EMI增加。為選擇正確的柵極驅(qū)動阻抗以滿足導(dǎo)通di/dt 的需求，可能需要進行電路內(nèi)部測試與驗證，然后根據(jù)MOSFET轉(zhuǎn)換曲線可以確定大概的值 （見圖3）。

　　圖3 MOSFET的轉(zhuǎn)移特性

　　假定在導(dǎo)通時，F(xiàn)ET電流上升到10A，根據(jù)圖3中25℃的那條曲線，為了達到10A的值，柵極電壓必須從5.2V轉(zhuǎn)換到6.7V，平均GFS為10A/（6.7V-5.2V）=6.7mΩ。