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來源:英飛凌工業半導體
英飛凌作為電力電子領域創新解決方案的領先企業,其取得的一大顯著成就是,開發了用於集成功率模組(IPM)的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。這些緊湊的電力電子器件有助於打造更加集成、可靠且高性價比的解決方案。本文探討了英飛凌在其 CIPOS Mini 產品中,更偏向於使用 IGBT,而非 MOSFET 的原因。
CIPOS Mini 專為低功率電機驅動應用而設計,它採用 600V IGBT,適用於功率範圍在 200W-3.3kW 的應用。我們在為電機驅動應用選擇合適的開關技術時,需要考慮以下開關參數:
轉換效率
在評估開關轉換效率時,考慮潛在的開關損耗至關重要,這包括:
導通損耗
MOSFET 和 IGBT 在導通狀態下,都會產生導通損耗。
MOSFET 的損耗是導通電阻(Rdson)引起的,導致導通期間出現壓降。該電阻隨著溫度的升高而增加,在高溫下會導致更高的損耗。
IGBT 的導通損耗也是由器件導通(ON)時的壓降造成的,用參數 Vce(sat) 表示。相同電流密度下,它隨溫度的變化程度較低。
圖 2 比較了相同晶片尺寸的 MOSFET(IP60R099C6)和 IGBT(IRGP4063D)的壓降隨溫度的變化情況。
開關損耗
一般而言,MOSFET 的開關速度比 IGBT 更快。
MOSFET 屬於電壓控制器件,其開關速度取決於充放電柵極電容的時間。由於柵極電容較小,它可以更快地從導通狀態和關斷狀態進行轉換,實現快速的充放電。
IGBT 也屬於電壓控制器件,但它整合了 MOSFET 和雙極電晶體的特性。由於內部存在雙極電晶體結構,因此與 MOSFET 相比,IGBT 的開關速度更慢。由於在開關過程中,IGBT 需要克服內部電晶體基極區存儲的電荷,這增加了開關過程的延遲。
二極體反向恢復損耗
MOSFET 在其結構中固有地包含一個內置二極體,這一特性無法更改。與此相反,IGBT 在其結構中沒有集成二極體。英飛凌在其智慧功率模組中使用了快恢復二極體。通過超薄晶圓和場截止等先進技術,發射極控制二極體適用於消費和工業應用,反向恢復過程平穩,從而顯著降低 IGBT 的導通損耗。
開關器件的魯棒性
在電機驅動應用中,所選開關器件的魯棒性發揮著重要作用。這需要評估系統短路期間的器件行為。
短路承受能力
IGBT 在典型的工作模式中,會在導通(ON)期間在飽和區內工作;在短路時,集電極電流(Ic)激增,迅速從飽和區轉移到有源區。這種轉變會導致集電極電流受到自身的限制,而不受集電極-發射極電壓(Vce)的影響,因此,IGBT 電流的增加及隨後的功耗是自動受到限制的。
相比之下,MOSFET 在正常導通(ON)期間,在線性區運行;在短路時,MOSFET 進入飽和區。與 IGBT 不同,MOSFET 的線性區很廣。從線性區向飽和區的轉變,發生在較高的漏源電壓(Vds)水準下。隨著 Vds 值增加,漏極電流也增加。但由於 Vds 不斷升高,器件往往在抵達該轉變點之前,就發生故障。
這些固有特性將影響 MOSFET 短路保護機制的實現方式,因此,其設計與 IGBT 不同。
IGBT 的這些特性使其更具魯棒性,因此,更適用于電機驅動應用。
成本
精簡的 IGBT 生產流程比 MOSFET 更具競爭優勢。這些優勢帶來了規模經濟效應,提高了基於 IGBT 的 IPM 的成本效益。
總結
在用於 IPM 的 IGBT 和 MOSFET 的開發中,英飛凌的匠心獨運隨處可見。本文探討了英飛凌在其為低功率電機驅動量身定制的 CIPOS Mini 產品中更傾向於使用 IGBT 的原因。
本分析通過對比三個關鍵參數,來確定合適的開關技術:
儘管 MOSFET 的開關速度更快,但相比之下,IGBT 表現出更強的魯棒性、更低的導通損耗和更好的成本效益,因此,非常適用於 CIPOS Mini 預期範圍內的應用。
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