關斷損耗 —問題尚未結束
在硬開關、鉗位感性電路中,MOSFET的關斷損耗比IGBT低得多,原因在於IGBT 的拖尾電流,這與清除圖1中PNP BJT的少數載流子有關。圖7顯示了集電極電流ICE和結溫Tj的函數Eoff,其曲線在大多數IGBT數據表中都有提供。這些曲線基於鉗位感性電路且測試電壓相同,並包含拖尾電流能量損耗。
圖7 本圖表顯示IGBT的Eoff隨ICE及Tj的變化
圖2顯示了用於測量IGBT Eoff的典型測試電路, 它的測試電壓,即圖2中的VDD,因不同製造商及個別器件的BVCES而異。在比較器件時應考慮這測試條件中的VDD,因為在較低的VDD鉗位電壓下進行測試和工作將導致Eoff能耗降低。
降低柵極驅動關斷阻抗對減小IGBT Eoff損耗影響極微。如圖1所示,當等效的多數載流子MOSFET關斷時,在IGBT少數載流子BJT中仍存在存儲時間延遲td(off)I。不過,降低Eoff驅動阻抗將會減少米勒電容 (Miller capacitance) CRES和關斷VCE的 dv/dt造成的電流注到柵極驅動迴路中的風險,避免使器件重新偏置為傳導狀態,從而導致多個產生Eoff的開關動作。
ZVS和ZCS拓撲在降低MOSFET 和 IGBT的關斷損耗方面很有優勢。不過ZVS的工作優點在IGBT中沒有那麼大,因為當集電極電壓上升到允許多餘存儲電荷進行耗散的電勢值時,會引發拖尾衝擊電流Eoff。ZCS拓撲可以提升最大的IGBT Eoff性能。正確的柵極驅動順序可使IGBT柵極信號在第二個集電極電流過零點以前不被清除,從而顯著降低IGBT ZCS Eoff 。
MOSFET的 Eoff能耗是其米勒電容Crss、柵極驅動速度、柵極驅動關斷源阻抗及源極功率電路路徑中寄生電感的函數。該電路寄生電感Lx (如圖8所示) 產生一個電勢,通過限制電流速度下降而增加關斷損耗。在關斷時,電流下降速度di/dt由Lx和VGS(th)決定。如果Lx=5nH,VGS(th)= 4V,則最大電流下降速度為VGS(th)/Lx=800A/μs。
圖8 典型硬開關應用中的柵極驅動電路
總結
在選用功率開關器件時,並沒有萬全的解決方案,電路拓撲、工作頻率、環境溫度和物理尺寸,所有這些約束都會在做出最佳選擇時起著作用。在具有最小 Eon損耗的ZVS 和 ZCS應用中,MOSFET由於具有較快的開關速度和較少的關斷損耗,因此能夠在較高頻率下工作。對硬開關應用而言,MOSFET寄生二極體的恢復特性可能是個缺點。相反,由於IGBT組合封裝內的二極體與特定應用匹配,極佳的軟恢復二極體可與更高速的SMPS器件相配合。