为什么CIPOS™ Mini更偏向于使用IGBT芯片，而非Si MOSFET？

来源：内容来自英飞凌社区，作者：Siraswar Vicky。

 

英飞凌作为电力电子领域创新解决方案的领先企业，其取得的一大显著成就是，开发了用于集成功率模块（IPM）的绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。这些紧凑的电力电子器件有助于打造更加集成、可靠且高性价比的解决方案。本文探讨了英飞凌在其CIPOS Mini产品中，更偏向于使用IGBT，而非MOSFET的原因。

图1：CIPOS Mini

 

CIPOS mini专为低功率电机驱动应用而设计，它采用600V IGBT，适用于功率范围在200W-3.3kW的应用。我们在为电机驱动应用选择合适的开关技术时，需要考虑以下开关参数：

 

转换效率

鲁棒性

成本

 

 

 

转换效率

 

在评估开关转换效率时，考虑潜在的开关损耗至关重要，这包括：

 

导通损耗

开关损耗

二极管反向恢复损耗

 

导通损耗

 

 

MOSFET和IGBT在导通状态下，都会产生导通损耗。

 

MOSFET的损耗是导通电阻（Rdson）引起的，导致导通期间出现压降。该电阻随着温度的升高而增加，在高温下会导致更高的损耗。

 

IGBT的导通损耗也是由器件导通（ON）时的压降造成的，用参数Vce(sat)表示。相同电流密度下，它随温度的变化程度较低。

 

图2比较了相同芯片尺寸的MOSFET（IP60R099C6）和IGBT（IRGP4063D）的压降随温度的变化情况。

 

图2：在相同电流密度下，两个器件的导通压降与温度的关系

 

开关损耗

 

 

一般而言，MOSFET的开关速度比IGBT更快。

 

MOSFET属于电压控制器件，其开关速度取决于充放电栅极电容的时间。由于栅极电容较小，它可以更快地从导通状态和关断状态进行转换，实现快速的充放电。

 

IGBT也属于电压控制器件，但它整合了MOSFET和双极晶体管的特性。由于内部存在双极晶体管结构，因此与MOSFET相比，IGBT的开关速度更慢。由于在开关过程中，IGBT需要克服内部晶体管基极区存储的电荷，这增加了开关过程的延迟。

 

二极管反向恢复损耗

 

 

MOSFET在其结构中固有地包含一个内置二极管，这一特性无法更改。与此相反，IGBT在其结构中没有集成二极管。英飞凌在其智能功率模块中使用了快恢复二极管。通过超薄晶圆和场截止等先进技术，发射极控制二极管适用于消费和工业应用，反向恢复过程平稳，从而显著降低IGBT的导通损耗。

 

 

 

开关器件的鲁棒性

 

在电机驱动应用中，所选开关器件的鲁棒性发挥着重要作用。这需要评估系统短路期间的器件行为。

 

短路承受能力

 

 

IGBT在典型的工作模式中，会在导通（ON）期间在饱和区内工作；在短路时，集电极电流（Ic）激增，迅速从饱和区转移到有源区。这种转变会导致集电极电流受到自身的限制，而不受集电极-发射极电压（Vce）的影响，因此，IGBT电流的增加及随后的功耗是自动受到限制的。

 

相比之下，MOSFET在正常导通（ON）期间，在线性区运行；在短路时，MOSFET进入饱和区。与IGBT不同，MOSFET的线性区很广。从线性区向饱和区的转变，发生在较高的漏源电压（Vds）水平下。随着Vds值增加，漏极电流也增加。但由于Vds不断升高，器件往往在抵达该转变点之前，就发生故障。

 

这些固有特性将影响MOSFET短路保护机制的实现方式，因此，其设计与IGBT不同。

 

IGBT的这些特性使其更具鲁棒性，因此，更适用于电机驱动应用。

 

 

 

成本

 

精简的IGBT生产流程比MOSFET更具竞争优势。这些优势带来了规模经济效应，提高了基于IGBT的IPM的成本效益。

 

总结

 

在用于IPM的IGBT和MOSFET的开发中，英飞凌的匠心独运随处可见。本文探讨了英飞凌在其为低功率电机驱动量身定制的CIPOS Mini产品中更倾向于使用IGBT的原因。

 

本分析通过对比三个关键参数，来确定合适的开关技术：

 

转换效率：包括导通损耗、开关损耗和二极管恢复损耗。

鲁棒性：对比短路期间的行为，突出IGBT的特性优势。

IGBT的制造成本效益优于MOSFET。

 

尽管MOSFET的开关速度更快，但相比之下，IGBT表现出更强的鲁棒性、更低的导通损耗和更好的成本效益，因此，非常适用于CIPOS Mini预期范围内的应用。