用IGBT代替MOSFET的可行性分析

2020-11-30 電子產品世界

一、 引言
　　電力電子設備正朝著高頻、高效、高可靠、高功率因數和低成本的方向發展，功率器件則要求高速、高可靠、低損耗和低成本。目前所用功率器件主要是功率MOSFET和IGBT.IGBT是為降低功率MOSFET的導通電阻RDS（ON） ，將雙極電晶體的集電區電導調製效應引入MOSFET的漏極，實現了漏極高阻漂移區的電導調製效應，從而降低了IGBT的導通壓降VCE（ON） .從製造工藝上講，MOSFET和IGBT的不同只是原始Si材料的不同，MOSFET採用N-N+同型外延Si片，IGBT採用N-P+異型外延Si片，在同型外延Si片上用MOSFET工藝生產出的器件為MOSFET，在異型外延Si片上用MOSFET工藝生產出的器件為IGBT.N-P+結的引入使得IGBT為一個四層（N+P N-P+）結構。所謂電導調製是指處於正偏的N-P+結，由P+向N-區注入少子空穴，實現了N-區的電導調製，使N-區的電阻率降低。因為少子注入，在關斷期間就存在少子複合，所以IGBT的開關速度要慢於MOSFET.那麼在多高的開關頻率下，IGBT可以替代MOSFET？要做具體分析。

二、 為什麼要取代MOSFET ？

　　降低MOSFET的RDS（ON）是高壓功率MOSFET發展中很難解決的問題， 降低RDS（ON）的主要辦法是增加晶片面積。面積增加，速度下降，生產合格率降低，而成本大幅度提高。在相同電壓和電流下，IGBT晶片面積不足MOSFET晶片面積的1/2，而且開關速度近似，同時成本降低一半。所以用IGBT代替MOSFET可在性能不變的情況下，大幅度降低成本，而且對於幾千安培、數千伏特的應用，MOSFET是不能實現的。

三、 用IGBT代替MOSFET的可行性
　　1. IGBT和MOSFET電性能的不同相同功率容量的IGBT和MOSFET的主要區別是IGBT速度可能慢於MOSFET，再者就是IGBT存在關斷拖尾時間ttail .ttail 長，死區時間也要加長，從而影響了使用開關頻率。表1是APT公司生產的IGBT和MOSFET可互換器件的主要電參數。

表1

由表1可見APT30GP60B和APT5010B2LL相比， toff較長，而矽片面積ASi和歸一成本，APT5010B2LL均是APT30GP60B的兩倍。

　　2.IGBT 和MOSFET 可使用開關頻率fSM和結溫Tj在大功率器件的使用中，所有參數都受器件結溫Tj的限制，手冊中給出Tjm=150℃，而使用中要控制Tjm≤125℃，有試驗表明Tj每增高2℃，可靠性下降10％。所以一種器件可否代替另一種器件的首要考慮是在相同應用條件下， Tj是否超過125℃，其次要考慮在相同的應用條件下，可使用的開關頻率可否近似。器件應用中的總功耗Pt：Pt=（Tj-Tc）/ Rthjc= PC+PS+PD+PR PC=D.IC.VCE（ON） （D.ID2.RDS（ON））為導通損耗，D為佔空比， VCE（ON） 為導通壓降， RDS（ON）為導通電阻， IC為應用電流。

PS= fS（Eon +Eoff）為開關損耗， fS為使用開關頻率， Eon 和Eoff為一個周期內的開通和關斷能量損耗。

PD=△VG.QG.fS 為驅動損耗， △VG為通導到關斷柵電壓， QG為柵電荷。

PR=（1-D）。VR.IR為關斷損耗， VR和IR分別為反向電壓和電流。

PD 、PR 和PC 、PS相比一般是很小的，因此可忽略不計。

∴ （Tj-Tc）/ Rthjc= D.IC.VCE（ON） （D.ID2.RDS（ON） ）+fS（Eon +Eoff）

　　而 Tj= Rthjc×[ D.IC.VCE（ON） +fS（Eon +Eoff）]+ Tc 對於IGBT 1> Tj= Rthjc×[D.ID2.RDS（ON） +fS（Eon +Eoff）]+ Tc 對於MOSFET 2> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.IC.VCE（ON）]/ （Eon +Eoff） 對於IGBT 3> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.ID2.RDS（ON）]/ （Eon +Eoff） 對於MOSFET 4>對於1>－4>式，除Eon 和Eoff之外的參數均是應用條件和手冊中可查到的。對於IGBT，Eon和Eoff在手冊中可查到測試條件下的測試值，MOSFET手冊中並不給出。所以Eon 和Eoff要根據應用條件和Eon 、Eoff的測試方法來計算。

　　Eon =∫τon0V（t）。I（t）dt 5> Eoff=∫τoff0V（t）。I（t）dt 6>對於電感負載 5> 和6>近似為：Eon =1/2V.I.τon 7> Eoff=1/2V.I.τoff 8> 7>、8>式中的τon ，對橋式電路和單端電路是不同的。對橋式電路 τon=ton +trr ，trr為反並聯二極體的反向恢復時間。對單端電路 τon=ton .對於τoff，不管橋式或單端電路τoff=toff. 3.在相同拓撲電路和應用條件下fSM和結溫Tj的計算應用條件：橋式硬開關電路，Tj≤125℃，Tc≤80℃，V=300V，I=30A，D=0.5，fS=100KHZ .將上述條件代入7>和8>式以及1>－4>式，結果如表2所示表2


四、 分析和討論

　　IGBT能否代替MOSFET，首先要考慮在相同的使用條件下，可使用的開關頻率fSM是否滿足要求，再考慮Tj是否小於125℃。

　　在上述應用條件下，APT30GP60B和APT5010B2LL可使用頻率均大於100 KHZ ，而Tj均低於125℃。若在fS≤120KHZ下使用，兩者均能滿足Tj125℃要求，所以在上述條件下APT30GP60B可代替APT5010B2LL.

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