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用IGBT代替MOSFET的可行性分析

2015-05-20   来源:互联网   点击:
一、 引言   电力电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率因数和低成本的方向发展,功率器件则要求高速、高可靠、低损耗和低成本。目前所用功率器件主要是功率MOSFET和IGBT.IGBT是为降低功率MOSFET的导通电...

一、 引言
  电力电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率因数和低成本的方向发展,功率器件则要求高速、高可靠、低损耗和低成本。目前所用功率器件主要是功率MOSFET和IGBT.IGBT是为降低功率MOSFET的导通电阻RDS(ON) ,将双极晶体管的集电区电导调制效应引入MOSFET的漏极,实现了漏极高阻漂移区的电导调制效应,从而降低了IGBT的导通压降VCE(ON) .从制造工艺上讲,MOSFET和IGBT的不同只是原始Si材料的不同,MOSFET采用N-N+同型外延Si片,IGBT采用N-P+异型外延Si片,在同型外延Si片上用MOSFET工艺生产出的器件为MOSFET,在异型外延Si片上用MOSFET工艺生产出的器件为IGBT.N-P+结的引入使得IGBT为一个四层(N+P N-P+)结构。所谓电导调制是指处于正偏的N-P+结,由P+向N-区注入少子空穴,实现了N-区的电导调制,使N-区的电阻率降低。因为少子注入,在关断期间就存在少子复合,所以IGBT的开关速度要慢于MOSFET.那么在多高的开关频率下,IGBT可以替代MOSFET?要做具体分析。

二、 为什么要取代MOSFET ?

  降低MOSFET的RDS(ON)是高压功率MOSFET发展中很难解决的问题, 降低RDS(ON)的主要办法是增加芯片面积。面积增加,速度下降,生产合格率降低,而成本大幅度提高。在相同电压和电流下,IGBT芯片面积不足MOSFET芯片面积的1/2,而且开关速度近似,同时成本降低一半。所以用IGBT代替MOSFET可在性能不变的情况下,大幅度降低成本,而且对于几千安培、数千伏特的应用,MOSFET是不能实现的。

三、 用IGBT代替MOSFET的可行性
  1. IGBT和MOSFET电性能的不同相同功率容量的IGBT和MOSFET的主要区别是IGBT速度可能慢于MOSFET,再者就是IGBT存在关断拖尾时间ttail .ttail 长,死区时间也要加长,从而影响了使用开关频率。表1是APT公司生产的IGBT和MOSFET可互换器件的主要电参数。

表1
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由表1可见APT30GP60B和APT5010B2LL相比, toff较长,而硅片面积ASi和归一成本,APT5010B2LL均是APT30GP60B的两倍。

  2.IGBT 和MOSFET 可使用开关频率fSM和结温Tj在大功率器件的使用中,所有参数都受器件结温Tj的限制,手册中给出Tjm=150℃,而使用中要控制Tjm≤125℃,有试验表明Tj每增高2℃,可靠性下降10%。所以一种器件可否代替另一种器件的首要考虑是在相同应用条件下, Tj是否超过125℃,其次要考虑在相同的应用条件下,可使用的开关频率可否近似。器件应用中的总功耗Pt:Pt=(Tj-Tc)/ Rthjc= PC+PS+PD+PR PC=D.IC.VCE(ON) (D.ID2.RDS(ON))为导通损耗,D为占空比, VCE(ON) 为导通压降, RDS(ON)为导通电阻, IC为应用电流。

PS= fS(Eon +Eoff)为开关损耗, fS为使用开关频率, Eon 和Eoff为一个周期内的开通和关断能量损耗。

PD=△VG.QG.fS 为驱动损耗, △VG为通导到关断栅电压, QG为栅电荷。

PR=(1-D)。VR.IR为关断损耗, VR和IR分别为反向电压和电流。

PD 、PR 和PC 、PS相比一般是很小的,因此可忽略不计。

∴ (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 对于IGBT <1> Tj= Rthjc×[D.ID2.RDS(ON) +fS(Eon +Eoff)]+ Tc 对于MOSFET <2> fS =[(Tj-Tc)/ Rthjc-D.IC.VCE(ON)]/ (Eon +Eoff) 对于IGBT <3> fS =[(Tj-Tc)/ Rthjc-D.ID2.RDS(ON)]/ (Eon +Eoff) 对于MOSFET <4>对于<1>-<4>式,除Eon 和Eoff之外的参数均是应用条件和手册中可查到的。对于IGBT,Eon和Eoff在手册中可查到测试条件下的测试值,MOSFET手册中并不给出。所以Eon 和Eoff要根据应用条件和Eon 、Eoff的测试方法来计算。

  Eon =∫τon0V(t)。I(t)dt <5> Eoff=∫τoff0V(t)。I(t)dt <6>对于电感负载 <5> 和<6>近似为:Eon =1/2V.I.τon <7> Eoff=1/2V.I.τoff <8> <7>、<8>式中的τon ,对桥式电路和单端电路是不同的。对桥式电路 τon=ton +trr ,trr为反并联二极管的反向恢复时间。对单端电路 τon=ton .对于τoff,不管桥式或单端电路τoff=toff. 3.在相同拓扑电路和应用条件下fSM和结温Tj的计算应用条件:桥式硬开关电路,Tj≤125℃,Tc≤80℃,V=300V,I=30A,D=0.5,fS=100KHZ .将上述条件代入<7>和<8>式以及<1>-<4>式,结果如表2所示表2

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四、 分析和讨论

  IGBT能否代替MOSFET,首先要考虑在相同的使用条件下,可使用的开关频率fSM是否满足要求,再考虑Tj是否小于125℃。

  在上述应用条件下,APT30GP60B和APT5010B2LL可使用频率均大于100 KHZ ,而Tj均低于125℃。若在fS≤120KHZ下使用,两者均能满足Tj<125℃要求,所以在上述条件下APT30GP60B可代替APT5010B2LL.

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