SMPSIGBT在各種變換器應用中優于MOSFET

SMPS IGBT在各種變換器應用中優于MOSFET

1引言

IGBT的主要特點是具有低導通損耗和大電流密度，但在其于1982年問世之后的十幾年中，開關速度遠沒有功率MOSFET快，故在高頻開關型電源（SMPS）應用領域中，一直是功率MOSFET在唱主角。

功率MOSFET的固有缺點是通態電阻（RDS（on））比較大，其導通損耗約占總功率損耗的70％～75％，并且該損耗隨結溫升高和漏極電流（ID）的增大而增加。針對MOSFET導通損耗比較大這一弊端，人們不得不選用芯片尺寸大的器件，或者將兩只或兩只以上的MOSFET并聯使用。這必然會增加系統成本，增大PCB面積，影響電源密度。

在IGBT的總功率損耗中，居支配地位的是其關斷能耗（Eoff，單位一般用μJ）。IGBT在由導通變為截止的過程中，其拖尾電流產生的關斷能耗Eoff在總功率損耗中的比例往往達80％。因此，提高開關速度，降低關斷能耗，是使IGBT升級換代的關鍵。

近兩年來，美國Intesil等公司在IGBT設計與制造工藝方面取得了突破，推出了600V系列SMPS專用IGBT，并將其稱為“SMPSIGBT”。與先前的器件比較，SMPSIGBT的性能得到全面提高，開關頻率可達150kHz乃至200kHz，在高頻SMPS應用中優于功率MOSFET。

2SMPSIGBT的主要技術創新及性能特點

SMPSIGBT在芯片圖形設計和制作工藝上的主要技術創新有：

（1）采用了超淺結工藝，使結深較先前的器件減少了3倍；

（2）采用分布平版印刷技術（stepperbased

lithography）取代了先前的投影技術，從而可以獲得整齊排列的精細線條和非常小的特征尺寸；

（3）采用條紋狀柵格設計和自調準P＋槽（self?alignedP＋well）工藝，取代了傳統的蜂窩狀柵格結構及常規P＋槽制造技術；

（4）采用了垂直外延結構，并實現了外延層厚度與載流子壽命的精確控制。

從SMPSIGBT結構上看，屬于穿通（PunchThrough）型器件。這種新一代IGBT的主要特點是：

（1）大電流密度和低通態電阻等固有特性進一步得到提升和增強；

（2）開關速度快，下降時間(tf）?100ns，接近于MOSFET。即使在200kHz的硬開關下，仍可以工作，并且器件優異的導通特性不受影響；

（3）在開關脈沖后沿形成的拖尾電流得到有效控制，關斷損耗（Eoff）較先前的器件降低50％以上。例如，60A（600V）級的SMPSIGBT在150kHz下，Eoff<200μJ；

（4）具有方形安全工作區（S0A），工作電壓和工作電流范圍大，耐瞬態能量沖擊能力強；

（5）耐短路時間（SCWT）長，一般可達10μs；

（6）熱阻小，散熱能力和耐高溫能力強。

SMPSIGBT的這些特點，在離線高頻變換器中可以取代MOSFET，并呈現出許多方面的優越性。

3SMPSIGBT的應用研究

目前制造商所提供的SMPSIGBT系列產品品種較多，其額定電流為3A～40A（@100kHz），飽和壓降（VCE(sat)）典型值為1?6V（@125℃），下降時間（tf）典型值為70ns（@125℃），關斷能耗（Eoff）典型值是175μJ（@125℃），可在不同種類的SMPS中用作開關。

3?1在105kHz、450W兩開關正向變換器中的應用

105kHz、450W兩開關正向變換器電路簡圖如圖1所示。為對比SMPSIGBT替代額定電壓/電流相當的MOSFET之效果，在圖1所示的電路中，Q1和Q2先選用2SK1170型MOSFET，對系統參數進行測試。爾后再用HGTG12N60A4型SMPSIGBT替代2SK1170，并進行檢測。HGTG12N60A4的額定電壓/電流是600V/12A，采用TO?247封裝，芯片為3號尺碼（size3為0.47cm×0.32cm）；2S1170同樣采用TO?247封裝，額定電壓/電流大體相當，芯片為5.5號尺碼（size5.5為0.71cm×0.73cm）。

系統測試方法像熱電耦放置一樣。電源用電阻排加載，并調節到460W左右。電阻排用0?05％容差的線繞電阻器裝配，封裝在氧化鋁罩殼內。為保證電阻值變化盡可能的小，這些電阻安裝了強力空氣冷卻散熱器。在測量時，輸入DC電壓設定在一個固定值上（如215V）。圖2示出了分別用HGTG12N60A4型SMPSIGBT和2SK1170型功率MOSFET作為開關時，變換器外殼溫度和效率隨環境溫度變化對比曲線。雖然HGTG12N60A4的管芯面積僅為2SK1170的29％，但在50℃的環境溫度下，其外殼溫度僅為75℃，而MOSFET外殼溫度為89℃，二者相差14℃；在效率上SMPSIGBT比MOSFET有約0?5％的提高，相當于損耗減小約3％。SMPSIGBT殼溫的降低和損耗的減小，意味著在同樣尺寸的散熱器下，可以增加變換器輸出功率；而在相同的輸出功率條件下，可以選用尺寸小得多的散熱器和較小芯片及封裝尺寸的IGBT，并可以在較高溫度和較高頻率下工作。

3?2SMPSIGBT在1.25kW的全橋變換器中替代

MOSFET的效果

圖3為用IRFP460型MOSFET作為開關的60kHz、1.25kW全橋變換器電路簡圖。IRFP640（Q1～Q4）均內含體二極管（bodydiode），起續流或阻尼的作

圖1105kHz、450W正向變換器電路簡圖（原圖，未作格式處理）

圖2在105kHz、450W雙開關正向變換器中，分別用HGTG12N60A4和2SK1170作為開關時外殼溫度及效率對比曲線

(a)外殼溫度(b)效率

圖3用MOSFET作為開關的1?25kW全橋變換器電路簡圖（原圖，未作格式處理）

圖4用SMPSIGBT作為開關的1?25kW全橋變換器電路簡圖（原圖，未作格式處理）

圖5在50℃環境溫度下，SMPSIGBT與MOSFET最高管殼溫度比較

圖6在50℃環境溫度下，SMPSIGBT與MOSFET功率損耗比較

用。對于SMPS來講，高壓功率MOSFET的體二極管開關特性是非常重要的。MOSFET的體二極管反向恢復特性是不良的。在MOSFET的導通開關損耗中，其體二極管扮演著重要的角色，它將使EMI/IRI、電流振鈴和在di/dt上的電壓尖峰進一步惡化。由于變壓器存在較大的漏感，為阻止MOSFET的體二極管導通，不得不在每只MOSFET漏極上串接一只肖特基二極管（CR2、CR3、CR10和CR11）。與此同時，還要在每只肖特基二極管兩端分別并接一只齊納二極管（CR1、CR18、CR8和CR9），以保護肖特基二極管不被擊穿。此外，還要連接反并聯（anti?parallel）二極管（CR5、CR4、CR6和CR7）。

如果用3號尺碼（size3）芯片的HGTG12N60A4或內裝有續流二極管的HGTG12N60A4D（Co?packSMPSIGBT），分別替代全橋變換器中6號尺碼（size6）的IRFP460（如圖4所示），共可以節省12支二極管（每只SMPSIGBT節省3支二極管），從而使系統成本降低20％。

全橋變換器DC輸入電壓為373V，開關頻率是60kHz。關于系統有關參量的測量，必須采用精度足夠的相應儀表。在電源通風入口及出口，可以安裝熱電耦用來測量工作環境溫度。安置在器件上的熱電耦用作測量管殼（case）溫度。在測試過程中，電源負載電流從50A到250A，環境溫度分別為25℃和50℃。每一種情況的測量，要求30分鐘的穩定時間間隔。圖5示出的是全橋變換器在60kHz和50℃的環境溫度下，兩種SMPSIGBT與MOSFET最高管殼溫度隨負載電流變化的對比曲線。在250A的負載電流下，HGTG12N60A4D的管殼溫度與IRFP460比較，至少降低22℃。圖6為在50℃環境溫度下，分別用SMPSIGBT與MOSFET作為開關時的電源損耗比較曲線。在250A的滿載電流下，SMPSIGBT的功率損耗較MOSFET有5％～7％的降低，同時效率(POUT/PIN）提高1?32％以上，如圖7所示。

在過載條件下，負載電阻可以設定在0.02Ω到0.006Ω。全橋變換器在25℃的通風入口溫度下，穩定15分鐘，取得測試數據。在過載條件下，輸出電壓隨負載電流變化的折背（fold?back）響應曲線比較如圖8所示。圖9為在折背響應期間，SMPSIGBT與MOSFET管殼溫度比較曲線。