在SMPS使用中選擇IGBT和MOSFET的比較

開關電源（SwitchModePowerSupply；SMPS）的性能在很大程度上依靠于功率半導體器件的選擇，即開關管和整流器。雖然沒有萬全的方案來處理選擇IGBT還是MOSFET的問題，但針對特定SMPS使用中的IGBT和MOSFET進行性能比較，確定關鍵參數的范圍還是能起到一定的參考作用。本文將對一些參數進行探討，如硬開關和軟開關ZVS（零電壓轉換）拓撲中的開關損耗，并對電路和器件特性相關的三個主要功率開關損耗—導通損耗、傳導損耗和關斷損耗進行描述。此外，還通過舉例說明二極管的恢復特性是決定MOSFET或IGBT導通開關損耗的主要因素，討論二極管恢復性能對于硬開關拓撲的影響。

SMPS的進展

一直以來，離線式SMPS產業由功率半導體產業的功率元件發展所推動。作為主要的功率開關器件IGBT、功率MOSFET和功率二極管正不斷改良，相應地也是分明地改善了SMPS的效率，減小了尺寸，重量和成本也隨之降低。由于器件對使用性能的這種筆直影響，SMPS設計人員非得比較不同半導體技術的各種優缺點以優化其設計。例如，MOSFET一般在較低功率使用及較高頻使用（即功率《1000W及開關頻率≥100kHz）中表現較好，而IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現卓越。為了做出真切的評估，筆者在SMPS使用中比較了來自飛兆半導體的IGBT器件FGP20N6S2（屬于SMPS2系列）和MOSFET器件FCP11N60（屬于SuperFET產品族）。這些產品具有相似的芯片尺寸和相同的熱阻抗RθJC，代表了功率半導體產業現有的器件水平。

導通損耗

除了IGBT的電壓下降時間較長外，IGBT和功率MOSFET的導通特性十分類似。由基本的IGBT等效電路（見圖1）可看出，完全調節PNPBJT集電極基極區的少數載流子所需的時間導致了導通電壓拖尾（voltagetail）出現。

圖1IGBT等效電路

這種延遲引起了類飽和（Quasi-saturation）效應，使集電極/發射極電壓不能立即下降到其VCE（sat）值。這種效應也導致了在ZVS情況下，在負載電流從組合封裝的反向并聯二極管轉換到IGBT的集電極的瞬間，VCE電壓會上升。IGBT產品規格書中列出的Eon能耗是每一轉換周期Icollector與VCE乘積的時間積分，單位為焦耳，蘊含了與類飽和相關的其他損耗。其又分為兩個Eon能量參數，Eon1和Eon2。Eon1是沒有包括與硬開關二極管恢復損耗相關能耗的功率損耗；Eon2則包括了與二極管恢復相關的硬開關導通能耗，可通過恢復與IGBT組合封裝的二極管相同的二極管來測量，典型的Eon2探測電路如圖2所示。IGBT通過兩個脈沖進行開關轉換來測量Eon。第一個脈沖將增大電感電流以達致所需的探測電流，然后第二個脈沖會測量探測電流在二極管上恢復的Eon損耗。

圖2典型的導通能耗Eon和關斷能耗Eoff探測電路

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