SMPSIGBT在各种变换器应用中优于MOSFET

SMPS IGBT在各种变换器应用中优于MOSFET

1引言

IGBT的主要特点是具有低导通损耗和大电流密度，但在其于1982年问世之后的十几年中，开关速度远没有功率MOSFET快，故在高频开关型电源（SMPS）应用领域中，一直是功率MOSFET在唱主角。

功率MOSFET的固有缺点是通态电阻（RDS（on））比较大，其导通损耗约占总功率损耗的70％～75％，并且该损耗随结温升高和漏极电流（ID）的增大而增加。针对MOSFET导通损耗比较大这一弊端，人们不得不选用芯片尺寸大的器件，或者将两只或两只以上的MOSFET并联使用。这必然会增加系统成本，增大PCB面积，影响电源密度。

在IGBT的总功率损耗中，居支配地位的是其关断能耗（Eoff，单位一般用μJ）。IGBT在由导通变为截止的过程中，其拖尾电流产生的关断能耗Eoff在总功率损耗中的比例往往达80％。因此，提高开关速度，降低关断能耗，是使IGBT升级换代的关键。

近两年来，美国Intesil等公司在IGBT设计与制造工艺方面取得了突破，推出了600V系列SMPS专用IGBT，并将其称为“SMPSIGBT”。与先前的器件比较，SMPSIGBT的性能得到全面提高，开关频率可达150kHz乃至200kHz，在高频SMPS应用中优于功率MOSFET。

2SMPSIGBT的主要技术创新及性能特点

SMPSIGBT在芯片图形设计和制作工艺上的主要技术创新有：

（1）采用了超浅结工艺，使结深较先前的器件减少了3倍；

（2）采用分布平版印刷技术（stepperbased

lithography）取代了先前的投影技术，从而可以获得整齐排列的精细线条和非常小的特征尺寸；

（3）采用条纹状栅格设计和自调准P＋槽（self?alignedP＋well）工艺，取代了传统的蜂窝状栅格结构及常规P＋槽制造技术；

（4）采用了垂直外延结构，并实现了外延层厚度与载流子寿命的精确控制。

从SMPSIGBT结构上看，属于穿通（PunchThrough）型器件。这种新一代IGBT的主要特点是：

（1）大电流密度和低通态电阻等固有特性进一步得到提升和增强；

（2）开关速度快，下降时间(tf）?100ns，接近于MOSFET。即使在200kHz的硬开关下，仍可以工作，并且器件优异的导通特性不受影响；

（3）在开关脉冲后沿形成的拖尾电流得到有效控制，关断损耗（Eoff）较先前的器件降低50％以上。例如，60A（600V）级的SMPSIGBT在150kHz下，Eoff<200μJ；

（4）具有方形安全工作区（S0A），工作电压和工作电流范围大，耐瞬态能量冲击能力强；

（5）耐短路时间（SCWT）长，一般可达10μs；

（6）热阻小，散热能力和耐高温能力强。

SMPSIGBT的这些特点，在离线高频变换器中可以取代MOSFET，并呈现出许多方面的优越性。

3SMPSIGBT的应用研究

目前制造商所提供的SMPSIGBT系列产品品种较多，其额定电流为3A～40A（@100kHz），饱和压降（VCE(sat)）典型值为1?6V（@125℃），下降时间（tf）典型值为70ns（@125℃），关断能耗（Eoff）典型值是175μJ（@125℃），可在不同种类的SMPS中用作开关。

3?1在105kHz、450W两开关正向变换器中的应用

105kHz、450W两开关正向变换器电路简图如图1所示。为对比SMPSIGBT替代额定电压/电流相当的MOSFET之效果，在图1所示的电路中，Q1和Q2先选用2SK1170型MOSFET，对系统参数进行测试。尔后再用HGTG12N60A4型SMPSIGBT替代2SK1170，并进行检测。HGTG12N60A4的额定电压/电流是600V/12A，采用TO?247封装，芯片为3号尺码（size3为0.47cm×0.32cm）；2S1170同样采用TO?247封装，额定电压/电流大体相当，芯片为5.5号尺码（size5.5为0.71cm×0.73cm）。

系统测试方法像热电耦放置一样。电源用电阻排加载，并调节到460W左右。电阻排用0?05％容差的线绕电阻器装配，封装在氧化铝罩壳内。为保证电阻值变化尽可能的小，这些电阻安装了强力空气冷却散热器。在测量时，输入DC电压设定在一个固定值上（如215V）。图2示出了分别用HGTG12N60A4型SMPSIGBT和2SK1170型功率MOSFET作为开关时，变换器外壳温度和效率随环境温度变化对比曲线。虽然HGTG12N60A4的管芯面积仅为2SK1170的29％，但在50℃的环境温度下，其外壳温度仅为75℃，而MOSFET外壳温度为89℃，二者相差14℃；在效率上SMPSIGBT比MOSFET有约0?5％的提高，相当于损耗减小约3％。SMPSIGBT壳温的降低和损耗的减小，意味着在同样尺寸的散热器下，可以增加变换器输出功率；而在相同的输出功率条件下，可以选用尺寸小得多的散热器和较小芯片及封装尺寸的IGBT，并可以在较高温度和较高频率下工作。

3?2SMPSIGBT在1.25kW的全桥变换器中替代

MOSFET的效果

图3为用IRFP460型MOSFET作为开关的60kHz、1.25kW全桥变换器电路简图。IRFP640（Q1～Q4）均内含体二极管（bodydiode），起续流或阻尼的作

图1105kHz、450W正向变换器电路简图（原图，未作格式处理）

图2在105kHz、450W双开关正向变换器中，分别用HGTG12N60A4和2SK1170作为开关时外壳温度及效率对比曲线

(a)外壳温度(b)效率

图3用MOSFET作为开关的1?25kW全桥变换器电路简图（原图，未作格式处理）

图4用SMPSIGBT作为开关的1?25kW全桥变换器电路简图（原图，未作格式处理）

图5在50℃环境温度下，SMPSIGBT与MOSFET最高管壳温度比较

图6在50℃环境温度下，SMPSIGBT与MOSFET功率损耗比较

用。对于SMPS来讲，高压功率MOSFET的体二极管开关特性是非常重要的。MOSFET的体二极管反向恢复特性是不良的。在MOSFET的导通开关损耗中，其体二极管扮演着重要的角色，它将使EMI/IRI、电流振铃和在di/dt上的电压尖峰进一步恶化。由于变压器存在较大的漏感，为阻止MOSFET的体二极管导通，不得不在每只MOSFET漏极上串接一只肖特基二极管（CR2、CR3、CR10和CR11）。与此同时，还要在每只肖特基二极管两端分别并接一只齐纳二极管（CR1、CR18、CR8和CR9），以保护肖特基二极管不被击穿。此外，还要连接反并联（anti?parallel）二极管（CR5、CR4、CR6和CR7）。

如果用3号尺码（size3）芯片的HGTG12N60A4或内装有续流二极管的HGTG12N60A4D（Co?packSMPSIGBT），分别替代全桥变换器中6号尺码（size6）的IRFP460（如图4所示），共可以节省12支二极管（每只SMPSIGBT节省3支二极管），从而使系统成本降低20％。

全桥变换器DC输入电压为373V，开关频率是60kHz。关于系统有关参量的测量，必须采用精度足够的相应仪表。在电源通风入口及出口，可以安装热电耦用来测量工作环境温度。安置在器件上的热电耦用作测量管壳（case）温度。在测试过程中，电源负载电流从50A到250A，环境温度分别为25℃和50℃。每一种情况的测量，要求30分钟的稳定时间间隔。图5示出的是全桥变换器在60kHz和50℃的环境温度下，两种SMPSIGBT与MOSFET最高管壳温度随负载电流变化的对比曲线。在250A的负载电流下，HGTG12N60A4D的管壳温度与IRFP460比较，至少降低22℃。图6为在50℃环境温度下，分别用SMPSIGBT与MOSFET作为开关时的电源损耗比较曲线。在250A的满载电流下，SMPSIGBT的功率损耗较MOSFET有5％～7％的降低，同时效率(POUT/PIN）提高1?32％以上，如图7所示。

在过载条件下，负载电阻可以设定在0.02Ω到0.006Ω。全桥变换器在25℃的通风入口温度下，稳定15分钟，取得测试数据。在过载条件下，输出电压随负载电流变化的折背（fold?back）响应曲线比较如图8所示。图9为在折背响应期间，SMPSIGBT与MOSFET管壳温度比较曲线。