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。

圖1：CIPOS Mini

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
• 魯棒性
• 成本

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
• 開關損耗
• 二極體反向恢復損耗

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。

圖 2：在相同電流密度下，兩個器件的導通壓降與溫度的關係

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：

1. 轉換效率：包括導通損耗、開關損耗和二極體恢復損耗。
2. 魯棒性：對比短路期間的行為，突出 IGBT 的特性優勢。
3. IGBT 的製造成本效益優於 MOSFET。

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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