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在SMPS应用中选择IGBT和MOSFET的比较

2010-12-23 16:16
黯影冰风
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  开关电源 (Switch Mode Power Supply;SMPS) 的性能在很大程度上依赖于功率半导体器件的选择,即开关管和整流器。虽然没有万全的方案来解决选择IGBT还是MOSFET的问题,但针对特定SMPS应用中的IGBT 和 MOSFET进行性能比较,确定关键参数的范围还是能起到一定的参考作用。本文将对一些参数进行探讨,如硬开关和软开关ZVS (零电压转换) 拓扑中的开关损耗,并对电路和器件特性相关的三个主要功率开关损耗—导通损耗、传导损耗和关断损耗进行描述。此外,还通过举例说明二极管的恢复特性是决定 MOSFET 或 IGBT导通开关损耗的主要因素,讨论二极管恢复性能对于硬开关拓扑的影响。

  SMPS的进展

  一直以来,离线式SMPS产业由功率半导体产业的功率元件发展所推动。作为主要的功率开关器件IGBT、功率MOSFET和功率二极管正不断改良,相应地也是明显地改善了SMPS的效率,减小了尺寸,重量和成本也随之降低。由于器件对应用性能的这种直接影响,SMPS设计人员必须比较不同半导体技术的各种优缺点以优化其设计。例如,MOSFET一般在较低功率应用及较高频应用(即功率《1000W及开关频率≥100kHz)中表现较好,而 IGBT则在较低频及较高功率设计中表现卓越。为了做出真实的评估,笔者在SMPS应用中比较了来自飞兆半导体的IGBT器件FGP20N6S2 (属于SMPS2系列)和MOSFET器件 FCP11N60(属于SuperFET 产品族)。这些产品具有相近的芯片尺寸和相同的热阻抗RθJC,代表了功率半导体产业现有的器件水平。

  导通损耗

  除了IGBT的电压下降时间较长外,IGBT和功率MOSFET的导通特性十分类似。由基本的IGBT等效电路(见图1)可看出,完全调节PNP BJT集电极基极区的少数载流子所需的时间导致了导通电压拖尾(voltage tail)出现。

  

  图1 IGBT等效电路

  这种延迟引起了类饱和 (Quasi-saturation) 效应,使集电极/发射极电压不能立即下降到其VCE(sat)值。这种效应也导致了在ZVS情况下,在负载电流从组合封装的反向并联二极管转换到 IGBT的集电极的瞬间,VCE电压会上升。IGBT产品规格书中列出的Eon能耗是每一转换周期Icollector与VCE乘积的时间积分,单位为焦耳,包含了与类饱和相关的其他损耗。其又分为两个Eon能量参数,Eon1和Eon2。Eon1是没有包括与硬开关二极管恢复损耗相关能耗的功率损耗; Eon2则包括了与二极管恢复相关的硬开关导通能耗,可通过恢复与IGBT组合封装的二极管相同的二极管来测量,典型的Eon2测试电路如图2所示。 IGBT通过两个脉冲进行开关转换来测量Eon。第一个脉冲将增大电感电流以达致所需的测试电流,然后第二个脉冲会测量测试电流在二极管上恢复的Eon损耗。

  

  图2 典型的导通能耗Eon和关断能耗Eoff 测试电路

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