用IGBT代替MOSFET的可行性分析

一、 引言
　　電力電子設(shè)備正朝著高頻、高效、高可靠、高功率因數(shù)和低成本的方向發(fā)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(dǎo)通電阻RDS（ON） ，將雙極晶體管的集電區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)引入MOSFET的漏極，實(shí)現(xiàn)了漏極高阻漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而降低了IGBT的導(dǎo)通壓降VCE（ON） .從制造工藝上講，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+異型外延Si片，在同型外延Si片上用MOSFET工藝生產(chǎn)出的器件為MOSFET，在異型外延Si片上用MOSFET工藝生產(chǎn)出的器件為IGBT.N-P+結(jié)的引入使得IGBT為一個(gè)四層（N+P N-P+）結(jié)構(gòu)。所謂電導(dǎo)調(diào)制是指處于正偏的N-P+結(jié)，由P+向N-區(qū)注入少子空穴，實(shí)現(xiàn)了N-區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，使N-區(qū)的電阻率降低。因?yàn)樯僮幼⑷?，在關(guān)斷期間就存在少子復(fù)合，所以IGBT的開(kāi)關(guān)速度要慢于MOSFET.那么在多高的開(kāi)關(guān)頻率下，IGBT可以替代MOSFET？要做具體分析。

二、 為什么要取代MOSFET ？

　　降低MOSFET的RDS（ON）是高壓功率MOSFET發(fā)展中很難解決的問(wèn)題， 降低RDS（ON）的主要辦法是增加芯片面積。面積增加，速度下降，生產(chǎn)合格率降低，而成本大幅度提高。在相同電壓和電流下，IGBT芯片面積不足MOSFET芯片面積的1/2，而且開(kāi)關(guān)速度近似，同時(shí)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(duì)于幾千安培、數(shù)千伏特的應(yīng)用，MOSFET是不能實(shí)現(xiàn)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(qū)別是IGBT速度可能慢于MOSFET，再者就是IGBT存在關(guān)斷拖尾時(shí)間ttail .ttail 長(zhǎng)，死區(qū)時(shí)間也要加長(zhǎng)，從而影響了使用開(kāi)關(guān)頻率。表1是APT公司生產(chǎn)的IGBT和MOSFET可互換器件的主要電參數(shù)。

表1

由表1可見(jiàn)APT30GP60B和APT5010B2LL相比， toff較長(zhǎng)，而硅片面積ASi和歸一成本，APT5010B2LL均是APT30GP60B的兩倍。

　　2.IGBT 和MOSFET 可使用開(kāi)關(guān)頻率fSM和結(jié)溫Tj在大功率器件的使用中，所有參數(shù)都受器件結(jié)溫Tj的限制，手冊(cè)中給出Tjm=150℃，而使用中要控制Tjm≤125℃，有試驗(yàn)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(yīng)用條件下， Tj是否超過(guò)125℃，其次要考慮在相同的應(yīng)用條件下，可使用的開(kāi)關(guān)頻率可否近似。器件應(yīng)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(dǎo)通損耗，D為占空比， VCE（ON） 為導(dǎo)通壓降， RDS（ON）為導(dǎo)通電阻， IC為應(yīng)用電流。

PS= fS（Eon +Eoff）為開(kāi)關(guān)損耗， fS為使用開(kāi)關(guān)頻率， Eon 和Eoff為一個(gè)周期內(nèi)的開(kāi)通和關(guān)斷能量損耗。

PD=△VG.QG.fS 為驅(qū)動(dòng)損耗， △VG為通導(dǎo)到關(guān)斷柵電壓， QG為柵電荷。

PR=（1-D）。VR.IR為關(guān)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(jì)。

∴ （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(duì)于IGBT 1> Tj= Rthjc×[D.ID2.RDS（ON） +fS（Eon +Eoff）]+ Tc 對(duì)于MOSFET 2> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.IC.VCE（ON）]/ （Eon +Eoff） 對(duì)于IGBT 3> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.ID2.RDS（ON）]/ （Eon +Eoff） 對(duì)于MOSFET 4>對(duì)于1>－4>式，除Eon 和Eoff之外的參數(shù)均是應(yīng)用條件和手冊(cè)中可查到的。對(duì)于IGBT，Eon和Eoff在手冊(cè)中可查到測(cè)試條件下的測(cè)試值，MOSFET手冊(cè)中并不給出。所以Eon 和Eoff要根據(jù)應(yīng)用條件和Eon 、Eoff的測(cè)試方法來(lái)計(jì)算。

　　Eon =∫τon0V（t）。I（t）dt 5> Eoff=∫τoff0V（t）。I（t）dt 6>對(duì)于電感負(fù)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(duì)橋式電路和單端電路是不同的。對(duì)橋式電路 τon=ton +trr ，trr為反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。對(duì)單端電路 τon=ton .對(duì)于τoff，不管橋式或單端電路τoff=toff. 3.在相同拓?fù)潆娐泛蛻?yīng)用條件下fSM和結(jié)溫Tj的計(jì)算應(yīng)用條件：橋式硬開(kāi)關(guān)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(jié)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(kāi)關(guān)頻率fSM是否滿足要求，再考慮Tj是否小于125℃。

　　在上述應(yīng)用條件下，APT30GP60B和APT5010B2LL可使用頻率均大于100 KHZ ，而Tj均低于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.