來源：內(nèi)容來自英飛凌社區(qū)，作者：Siraswar Vicky。

英飛凌作為電力電子領(lǐng)域創(chuàng)新解決方案的領(lǐng)先企業(yè)，其取得的一大顯著成就是，開發(fā)了用于集成功率模塊（IPM）的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）。這些緊湊的電力電子器件有助于打造更加集成、可靠且高性價比的解決方案。本文探討了英飛凌在其CIPOS Mini產(chǎn)品中，更偏向于使用IGBT，而非MOSFET的原因。

圖1：CIPOS Mini

CIPOS mini專為低功率電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用600V IGBT，適用于功率范圍在200W-3.3kW的應(yīng)用。我們在為電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用選擇合適的開關(guān)技術(shù)時，需要考慮以下開關(guān)參數(shù)：

轉(zhuǎn)換效率

魯棒性

成本

轉(zhuǎn)換效率

在評估開關(guān)轉(zhuǎn)換效率時，考慮潛在的開關(guān)損耗至關(guān)重要，這包括：

導(dǎo)通損耗

開關(guān)損耗

二極管反向恢復(fù)損耗

導(dǎo)通損耗

MOSFET和IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下，都會產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。

MOSFET的損耗是導(dǎo)通電阻（Rdson）引起的，導(dǎo)致導(dǎo)通期間出現(xiàn)壓降。該電阻隨著溫度的升高而增加，在高溫下會導(dǎo)致更高的損耗。

IGBT的導(dǎo)通損耗也是由器件導(dǎo)通（ON）時的壓降造成的，用參數(shù)Vce(sat)表示。相同電流密度下，它隨溫度的變化程度較低。

圖2比較了相同芯片尺寸的MOSFET（IP60R099C6）和IGBT（IRGP4063D）的壓降隨溫度的變化情況。

圖2：在相同電流密度下，兩個器件的導(dǎo)通壓降與溫度的關(guān)系

開關(guān)損耗

一般而言，MOSFET的開關(guān)速度比IGBT更快。

MOSFET屬于電壓控制器件，其開關(guān)速度取決于充放電柵極電容的時間。由于柵極電容較小，它可以更快地從導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)快速的充放電。

IGBT也屬于電壓控制器件，但它整合了MOSFET和雙極晶體管的特性。由于內(nèi)部存在雙極晶體管結(jié)構(gòu)，因此與MOSFET相比，IGBT的開關(guān)速度更慢。由于在開關(guān)過程中，IGBT需要克服內(nèi)部晶體管基極區(qū)存儲的電荷，這增加了開關(guān)過程的延遲。

二極管反向恢復(fù)損耗

MOSFET在其結(jié)構(gòu)中固有地包含一個內(nèi)置二極管，這一特性無法更改。與此相反，IGBT在其結(jié)構(gòu)中沒有集成二極管。英飛凌在其智能功率模塊中使用了快恢復(fù)二極管。通過超薄晶圓和場截止等先進(jìn)技術(shù)，發(fā)射極控制二極管適用于消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用，反向恢復(fù)過程平穩(wěn)，從而顯著降低IGBT的導(dǎo)通損耗。

開關(guān)器件的魯棒性

在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，所選開關(guān)器件的魯棒性發(fā)揮著重要作用。這需要評估系統(tǒng)短路期間的器件行為。

短路承受能力

IGBT在典型的工作模式中，會在導(dǎo)通（ON）期間在飽和區(qū)內(nèi)工作；在短路時，集電極電流（Ic）激增，迅速從飽和區(qū)轉(zhuǎn)移到有源區(qū)。這種轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致集電極電流受到自身的限制，而不受集電極-發(fā)射極電壓（Vce）的影響，因此，IGBT電流的增加及隨后的功耗是自動受到限制的。

相比之下，MOSFET在正常導(dǎo)通（ON）期間，在線性區(qū)運(yùn)行；在短路時，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。與IGBT不同，MOSFET的線性區(qū)很廣。從線性區(qū)向飽和區(qū)的轉(zhuǎn)變，發(fā)生在較高的漏源電壓（Vds）水平下。隨著Vds值增加，漏極電流也增加。但由于Vds不斷升高，器件往往在抵達(dá)該轉(zhuǎn)變點(diǎn)之前，就發(fā)生故障。

這些固有特性將影響MOSFET短路保護(hù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式，因此，其設(shè)計(jì)與IGBT不同。

IGBT的這些特性使其更具魯棒性，因此，更適用于電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用。

成本

精簡的IGBT生產(chǎn)流程比MOSFET更具競爭優(yōu)勢。這些優(yōu)勢帶來了規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，提高了基于IGBT的IPM的成本效益。

總結(jié)

在用于IPM的IGBT和MOSFET的開發(fā)中，英飛凌的匠心獨(dú)運(yùn)隨處可見。本文探討了英飛凌在其為低功率電機(jī)驅(qū)動量身定制的CIPOS Mini產(chǎn)品中更傾向于使用IGBT的原因。

本分析通過對比三個關(guān)鍵參數(shù)，來確定合適的開關(guān)技術(shù)：

轉(zhuǎn)換效率：包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和二極管恢復(fù)損耗。

魯棒性：對比短路期間的行為，突出IGBT的特性優(yōu)勢。

IGBT的制造成本效益優(yōu)于MOSFET。

盡管MOSFET的開關(guān)速度更快，但相比之下，IGBT表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性、更低的導(dǎo)通損耗和更好的成本效益，因此，非常適用于CIPOS Mini預(yù)期范圍內(nèi)的應(yīng)用。