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

发布时间:2024-04-09 21:17:04

浏览次数:25


英飞凌作为电力电子领域创新解决方案的企业,其取得的一大成就是,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。

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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。


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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。

                                                                                                                             

       

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:


  1. 转换效率:包括导通损耗、开关损耗和二极管恢复损耗。

  2. 鲁棒性:对比短路期间的行为,突出IGBT的特性优势。

  3. 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。


转自-英飞凌工业半导体公众号