SMPSIGBT在各種變換器應(yīng)用中優(yōu)于MOSFET

1引言

IGBT的主要特點(diǎn)是具有低導(dǎo)通損耗和大電流密度，但在其于1982年問(wèn)世之后的十幾年中，開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)沒(méi)有功率MOSFET快，故在高頻開(kāi)關(guān)型電源（SMPS）應(yīng)用領(lǐng)域中，一直是功率MOSFET在唱主角。

功率MOSFET的固有缺點(diǎn)是通態(tài)電阻（RDS（on））比較大，其導(dǎo)通損耗約占總功率損耗的70％～75％，并且該損耗隨結(jié)溫升高和漏極電流（ID）的增大而增加。針對(duì)MOSFET導(dǎo)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(lián)使用。這必然會(huì)增加系統(tǒng)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(guān)斷能耗（Eoff，單位一般用μJ）。IGBT在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^(guò)程中，其拖尾電流產(chǎn)生的關(guān)斷能耗Eoff在總功率損耗中的比例往往達(dá)80％。因此，提高開(kāi)關(guān)速度，降低關(guān)斷能耗，是使IGBT升級(jí)換代的關(guān)鍵。

近兩年來(lái)，美國(guó)Intesil等公司在IGBT設(shè)計(jì)與制造工藝方面取得了突破，推出了600V系列SMPS專(zhuān)用IGBT，并將其稱(chēng)為“SMPSIGBT”。與先前的器件比較，SMPSIGBT的性能得到全面提高，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)150kHz乃至200kHz，在高頻SMPS應(yīng)用中優(yōu)于功率MOSFET。

2SMPSIGBT的主要技術(shù)創(chuàng)新及性能特點(diǎn)

SMPSIGBT在芯片圖形設(shè)計(jì)和制作工藝上的主要技術(shù)創(chuàng)新有：

（1）采用了超淺結(jié)工藝，使結(jié)深較先前的器件減少了3倍；

（2）采用分布平版印刷技術(shù)（stepperbased

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

（3）采用條紋狀柵格設(shè)計(jì)和自調(diào)準(zhǔn)P＋槽（self?alignedP＋well）工藝，取代了傳統(tǒng)的蜂窩狀柵格結(jié)構(gòu)及常規(guī)P＋槽制造技術(shù)；

（4）采用了垂直外延結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了外延層厚度與載流子壽命的精確控制。

從SMPSIGBT結(jié)構(gòu)上看，屬于穿通（PunchThrough）型器件。這種新一代IGBT的主要特點(diǎn)是：

（1）大電流密度和低通態(tài)電阻等固有特性進(jìn)一步得到提升和增強(qiáng)；

（2）開(kāi)關(guān)速度快，下降時(shí)間(tf）?100ns，接近于MOSFET。即使在200kHz的硬開(kāi)關(guān)下，仍可以工作，并且器件優(yōu)異的導(dǎo)通特性不受影響；

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

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

（5）耐短路時(shí)間（SCWT）長(zhǎng)，一般可達(dá)10μs；

（6）熱阻小，散熱能力和耐高溫能力強(qiáng)。

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

3SMPSIGBT的應(yīng)用研究

目前制造商所提供的SMPSIGBT系列產(chǎn)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(shí)間（tf）典型值為70ns（@125℃），關(guān)斷能耗（Eoff）典型值是175μJ（@125℃），可在不同種類(lèi)的SMPS中用作開(kāi)關(guān)。

3?1在105kHz、450W兩開(kāi)關(guān)正向變換器中的應(yīng)用

105kHz、450W兩開(kāi)關(guān)正向變換器電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。為對(duì)比SMPSIGBT替代額定電壓/電流相當(dāng)?shù)腗OSFET之效果，在圖1所示的電路中，Q1和Q2先選用2SK1170型MOSFET，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。爾后再用HGTG12N60A4型SMPSIGBT替代2SK1170，并進(jìn)行檢測(cè)。HGTG12N60A4的額定電壓/電流是600V/12A，采用TO?247封裝，芯片為3號(hào)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(dāng)，芯片為5.5號(hào)尺碼（size5.5為0.71cm×0.73cm）。

系統(tǒng)測(cè)試方法像熱電耦放置一樣。電源用電阻排加載，并調(diào)節(jié)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(nèi)。為保證電阻值變化盡可能的小，這些電阻安裝了強(qiáng)力空氣冷卻散熱器。在測(cè)量時(shí)，輸入DC電壓設(shè)定在一個(gè)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(kāi)關(guān)時(shí)，變換器外殼溫度和效率隨環(huán)境溫度變化對(duì)比曲線。雖然HGTG12N60A4的管芯面積僅為2SK1170的29％，但在50℃的環(huán)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(dāng)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(kāi)關(guān)的60kHz、1.25kW全橋變換器電路簡(jiǎn)圖。IRFP640（Q1～Q4）均內(nèi)含體二極管（bodydiode），起續(xù)流或阻尼的作

圖1105kHz、450W正向變換器電路簡(jiǎn)圖（原圖，未作格式處理）

圖2在105kHz、450W雙開(kāi)關(guān)正向變換器中，分別用HGTG12N60A4和2SK1170作為開(kāi)關(guān)時(shí)外殼溫度及效率對(duì)比曲線

(a)外殼溫度(b)效率

圖3用MOSFET作為開(kāi)關(guān)的1?25kW全橋變換器電路簡(jiǎn)圖（原圖，未作格式處理）

圖4用SMPSIGBT作為開(kāi)關(guān)的1?25kW全橋變換器電路簡(jiǎn)圖（原圖，未作格式處理）

圖5在50℃環(huán)境溫度下，SMPSIGBT與MOSFET最高管殼溫度比較

圖6在50℃環(huán)境溫度下，SMPSIGBT與MOSFET功率損耗比較

用。對(duì)于SMPS來(lái)講，高壓功率MOSFET的體二極管開(kāi)關(guān)特性是非常重要的。MOSFET的體二極管反向恢復(fù)特性是不良的。在MOSFET的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)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(jìn)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(dǎo)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(shí)，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(hù)肖特基二極管不被擊穿。此外，還要連接反并聯(lián)（anti?parallel）二極管（CR5、CR4、CR6和CR7）。

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

全橋變換器DC輸入電壓為373V，開(kāi)關(guān)頻率是60kHz。關(guān)于系統(tǒng)有關(guān)參量的測(cè)量，必須采用精度足夠的相應(yīng)儀表。在電源通風(fēng)入口及出口，可以安裝熱電耦用來(lái)測(cè)量工作環(huán)境溫度。安置在器件上的熱電耦用作測(cè)量管殼（case）溫度。在測(cè)試過(guò)程中，電源負(fù)載電流從50A到250A，環(huán)境溫度分別為25℃和50℃。每一種情況的測(cè)量，要求30分鐘的穩(wěn)定時(shí)間間隔。圖5示出的是全橋變換器在60kHz和50℃的環(huán)境溫度下，兩種SMPSIGBT與MOSFET最高管殼溫度隨負(fù)載電流變化的對(duì)比曲線。在250A的負(fù)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(huán)境溫度下，分別用SMPSIGBT與MOSFET作為開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)效率(POUT/PIN）提高1?32％以上，如圖7所示。

在過(guò)載條件下，負(fù)載電阻可以設(shè)定在0.02Ω到0.006Ω。全橋變換器在25℃的通風(fēng)入口溫度下，穩(wěn)定15分鐘，取得測(cè)試數(shù)據(jù)。在過(guò)載條件下，輸出電壓隨負(fù)載電流變化的折背（fold?back）響應(yīng)曲線比較如圖8所示。圖9為在折背響應(yīng)期間，SMPSIGBT與MOSFET管殼溫度比較曲線。

圖7在50℃環(huán)境溫度下，SMPSIGBT與MOSFET效率對(duì)比曲線

圖8在過(guò)載條件下的折背（fold?back）響應(yīng)曲線比較

圖9在折背響應(yīng)期間的管殼溫度比較

全橋變換器在250A的負(fù)載電流下工作，若將輸出端短路2分鐘，SMPSIGBT的管殼溫度為32℃，而MOSFET的管殼溫度達(dá)38℃。

3?3其它應(yīng)用

SMPSIGBT在功率因數(shù)校正（PFC）電路及其它一些變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，替代額定電壓/電流相同或相近的MOSFET，同樣可以減少系統(tǒng)成本，降低功率損耗，提高電源效率、密度和可靠性。SMPSIGBT的問(wèn)世，開(kāi)始了IGBT在高頻化SMPS中應(yīng)用的一個(gè)新時(shí)代。