在SMPS應用中選擇IGBT和MOSFET的比較

　　開(kāi)關(guān)電源 （Switch Mode Power Supply；SMPS） 的性能在很大程度上依賴(lài)于功率半導體器件的選擇，即開(kāi)關(guān)管和整流器。雖然沒(méi)有萬(wàn)全的方案來(lái)解決選擇IGBT還是MOSFET的問(wèn)題，但針對特定SMPS應用中的IGBT 和 MOSFET進(jìn)行性能比較，確定關(guān)鍵參數的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數進(jìn)行探討，如硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)ZVS （零電壓轉換） 拓撲中的開(kāi)關(guān)損耗，并對電路和器件特性相關(guān)的三個(gè)主要功率開(kāi)關(guān)損耗—導通損耗、傳導損耗和關(guān)斷損耗進(jìn)行描述。此外，還通過(guò)舉例說(shuō)明二極管的恢復特性是決定 MOSFET 或 IGBT導通開(kāi)關(guān)損耗的主要因素，討論二極管恢復性能對于硬開(kāi)關(guān)拓撲的影響。

　　SMPS的進(jìn)展

　　一直以來(lái)，離線(xiàn)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(dòng)。作為主要的功率開(kāi)關(guān)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(shù)的各種優(yōu)缺點(diǎn)以?xún)?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(kāi)關(guān)頻率≥100kHz）中表現較好，而 IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現卓越。為了做出真實(shí)的評估，筆者在SMPS應用中比較了來(lái)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)現有的器件水平。

　　導通損耗

　　除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(cháng)外，IGBT和功率MOSFET的導通特性十分類(lèi)似。由基本的IGBT等效電路（見(jiàn)圖1）可看出，完全調節PNP BJT集電極基極區的少數載流子所需的時(shí)間導致了導通電壓拖尾（voltage tail）出現。

　　圖1 IGBT等效電路

　　這種延遲引起了類(lèi)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)二極管轉換到 IGBT的集電極的瞬間，VCE電壓會(huì )上升。IGBT產(chǎn)品規格書(shū)中列出的Eon能耗是每一轉換周期Icollector與VCE乘積的時(shí)間積分，單位為焦耳，包含了與類(lèi)飽和相關(guān)的其他損耗。其又分為兩個(gè)Eon能量參數，Eon1和Eon2。Eon1是沒(méi)有包括與硬開(kāi)關(guān)二極管恢復損耗相關(guān)能耗的功率損耗； Eon2則包括了與二極管恢復相關(guān)的硬開(kāi)關(guān)導通能耗，可通過(guò)恢復與IGBT組合封裝的二極管相同的二極管來(lái)測量，典型的Eon2測試電路如圖2所示。 IGBT通過(guò)兩個(gè)脈沖進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換來(lái)測量Eon。第一個(gè)脈沖將增大電感電流以達致所需的測試電流，然后第二個(gè)脈沖會(huì )測量測試電流在二極管上恢復的Eon損耗。

　　圖2 典型的導通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eoff 測試電路

　　開(kāi)關(guān)電源 （Switch Mode Power Supply；SMPS） 的性能在很大程度上依賴(lài)于功率半導體器件的選擇，即開(kāi)關(guān)管和整流器。雖然沒(méi)有萬(wàn)全的方案來(lái)解決選擇IGBT還是MOSFET的問(wèn)題，但針對特定SMPS應用中的IGBT 和 MOSFET進(jìn)行性能比較，確定關(guān)鍵參數的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數進(jìn)行探討，如硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)ZVS （零電壓轉換） 拓撲中的開(kāi)關(guān)損耗，并對電路和器件特性相關(guān)的三個(gè)主要功率開(kāi)關(guān)損耗—導通損耗、傳導損耗和關(guān)斷損耗進(jìn)行描述。此外，還通過(guò)舉例說(shuō)明二極管的恢復特性是決定 MOSFET 或 IGBT導通開(kāi)關(guān)損耗的主要因素，討論二極管恢復性能對于硬開(kāi)關(guān)拓撲的影響。

　　SMPS的進(jìn)展

　　一直以來(lái)，離線(xiàn)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(dòng)。作為主要的功率開(kāi)關(guān)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(shù)的各種優(yōu)缺點(diǎn)以?xún)?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(kāi)關(guān)頻率≥100kHz）中表現較好，而 IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現卓越。為了做出真實(shí)的評估，筆者在SMPS應用中比較了來(lái)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)現有的器件水平。

　　導通損耗

　　除了IGBT的電壓下降時(shí)間較長(cháng)外，IGBT和功率MOSFET的導通特性十分類(lèi)似。由基本的IGBT等效電路（見(jiàn)圖1）可看出，完全調節PNP BJT集電極基極區的少數載流子所需的時(shí)間導致了導通電壓拖尾（voltage tail）出現。

　　圖1 IGBT等效電路

　　這種延遲引起了類(lèi)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)二極管轉換到 IGBT的集電極的瞬間，VCE電壓會(huì )上升。IGBT產(chǎn)品規格書(shū)中列出的Eon能耗是每一轉換周期Icollector與VCE乘積的時(shí)間積分，單位為焦耳，包含了與類(lèi)飽和相關(guān)的其他損耗。其又分為兩個(gè)Eon能量參數，Eon1和Eon2。Eon1是沒(méi)有包括與硬開(kāi)關(guān)二極管恢復損耗相關(guān)能耗的功率損耗； Eon2則包括了與二極管恢復相關(guān)的硬開(kāi)關(guān)導通能耗，可通過(guò)恢復與IGBT組合封裝的二極管相同的二極管來(lái)測量，典型的Eon2測試電路如圖2所示。 IGBT通過(guò)兩個(gè)脈沖進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換來(lái)測量Eon。第一個(gè)脈沖將增大電感電流以達致所需的測試電流，然后第二個(gè)脈沖會(huì )測量測試電流在二極管上恢復的Eon損耗。

　　圖2 典型的導通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eoff 測試電路

　　在硬開(kāi)關(guān)導通的情況下，柵極驅動(dòng)電壓和阻抗以及整流二極管的恢復特性決定了Eon開(kāi)關(guān)損耗。對于像傳統CCM升壓PFC電路來(lái)說(shuō)，升壓二極管恢復特性在Eon （導通） 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特性也非常重要。軟化度 （Softness），即tb/ta比率，對開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的電氣噪聲和電壓尖脈沖 （voltage spike） 有相當的影響。某些高速二極管在時(shí)間tb內，從IRM（REC）開(kāi)始的電流下降速率（di/dt）很高，故會(huì )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(huì )引起電磁干擾（EMI），并可能在二極管上導致過(guò)高的反向電壓。

　　在硬開(kāi)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管或MOSFET體二極管，當對應的開(kāi)關(guān)管導通時(shí)二極管有電流經(jīng)過(guò)，因而二極管的恢復特性決定了Eon損耗。所以，選擇具有快速體二極管恢復特性的MOSFET十分重要，如飛兆半導體的FQA28N50F FRFETTM。不幸的是，MOSFET的寄生二極管或體二極管的恢復特性比業(yè)界目前使用的分立二極管要緩慢。因此，對于硬開(kāi)關(guān)MOSFET應用而言，體二極管常常是決定SMPS工作頻率的限制因素。

　　一般來(lái)說(shuō)，IGBT組合封裝二極管的選擇要與其應用匹配，具有較低正向傳導損耗的較慢型超快二極管與較慢的低VCE（sat）電機驅動(dòng)IGBT組合封裝在一起。相反地，軟恢復超快二極管，如飛兆半導體的StealthTM系列，可與高頻SMPS2開(kāi)關(guān)模式IGBT組合封裝在一起。

　　除了選擇正確的二極管外，設計人員還能夠通過(guò)調節柵極驅動(dòng)導通源阻抗來(lái)控制Eon損耗。降低驅動(dòng)源阻抗將提高IGBT或MOSFET的導通 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(huì )導致電壓尖脈沖、輻射和傳導EMI增加。為選擇正確的柵極驅動(dòng)阻抗以滿(mǎn)足導通di/dt 的需求，可能需要進(jìn)行電路內部測試與驗證，然后根據MOSFET轉換曲線(xiàn)可以確定大概的值 （見(jiàn)圖3）。

　　圖3 MOSFET的轉移特性

　　假定在導通時(shí)，FET電流上升到10A，根據圖3中25℃的那條曲線(xiàn)，為了達到10A的值，柵極電壓必須從5.2V轉換到6.7V，平均GFS為10A/（6.7V-5.2V）=6.7mΩ。