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Mosfet和IGBT應用和驅動對比簡介

作者:昆山東森微電子有限公司  轉載自:www.744070.buzz  發布日期:2019/12/25

​簡述:

一般中低馬力的電動汽車電源主要用較低壓(低于72V)的電池組構成。由于需求的輸出電流較高,因此市場上專用型的Mosfet 模塊并不常見,所以部分設計者可能會存在沒有合適的Mosfet 模塊使用,而考慮使用功率IGBT模塊。本文簡單的探討兩種模塊驅動設計時必須注意的問題供設計者參考。

常見應用條件劃分:

選用IGBT或Mosfet作為功率開關本來就是一個設計工程師最常遇到的問題。如果從系統的電壓、電流和切換功率等因數來考慮,IGBT 和Mosfet的應用區域可簡單的劃分如下:

較合適IGBT 應用的條件(硬開關切換):

1)切換頻率低于25kHz;

2)電流變化較小的負載;

3)輸入電壓高于1000V;

4)高溫環境;

5)較大輸出功率的負載。

較合適 Mosfet 應用的條件(硬開關切換):

1)切換頻率大于100kHz ;

2)輸入電壓低于250V;

3)較小輸出功率的負載。

根據上述描述,可以用圖一來更清楚的看出兩者使用的條件。圖中的斜線部分表示IGBT 和Mosfet 在該區域的應用都存在著各自的優勢和不足,所以該區域兩者皆可選用。而“?”部分表示目前的工藝尚無法達到的水平。對于中低馬力的電動汽車而言,其工作頻率在20KHz 以下,工作電壓在72V 以下,故IGBT 和Mosfet 都可以選擇,所以也是探討比較多的應用。


特性對比:

Mosfet和IGBT在結構上的主要差異來自于高壓化的要求,因此也形成了 Mosfet 模塊與IGBT 模塊輸入特性不同,以下就從結構的角度出發來作一簡要說明。Mosfet 和IGBT 的內部結構如圖 2 所示。

功率 Mosfet 是通過在門極上外加正電壓,使p 基極層形成溝道,從而進入導通狀態的。此時,由于n 發射極(源極)層和n 基極層以溝道為媒介而導通,Mosfet 的漏極—源極之間形成了單一的半導體。n 基極層的作用是在關斷狀態下,維持漏極—源極之間所外加的電壓不至于使其擊穿。因此需要承受的電壓越高,該層就越厚。需求元件的耐壓性能越高,漏極—源極之間的電阻也就必須越大,所以大電流的應用則通常必須透過并聯才能達到。

為了改善Mosfet 的限制,IGBT 在Mosfet 的基礎上追加了p+層,所以從漏極方面來看,它與n 基極層之間構成了pn 二極管,大大提高了耐壓性能。

如此結構同時形成一個結型場效應管JFET 來承受大部分電壓,讓結構中的Mosfet 不需承受高壓,從而可降低通態電阻的值,能更容易地實現高壓大電流。

對于Mosfet 來說,僅由多子承擔的電荷運輸沒有任何存儲效應,因此,很容易實現極短的開關時間。但是,和Mosfet 有所不同,IGBT 器件中少子也參與了導電。所以IGB 結構雖然使導通壓降降低,但是存儲電荷的增強與耗散引發了開關損耗,延遲時間(存儲時間),以及在關斷時還會引發集電極拖尾電流就限制了IGBT 的開關頻率。

結合上文所述可以看出Mosfet 開關損耗小,開關速度快,所以適用于高頻切換的場合;IGBT 導通壓降低,耐壓高,所以適用于高壓大功率場合。所以從功耗的角度來說,應用時要注意對于驅動開關頻率、門極電阻和驅動電壓的調節,以符合系統溫升的要求,并且對于系統中的做出調整。一般而言,IGBT的正壓驅動在15V 左右,而Mosfet 建議在10—12V 左右;驅動電壓負壓的作用主要是防止關斷中的功率開關管誤導通,同時增加關斷速度。因為IGBT 具有拖尾電流的特性,而且輸入電容比較大,所以建議在-5—-15V 之間,而Mosfet因為拖尾電流的特性不明顯,所以建議加-2V 左右的負壓。

一般應用工程師所參考的等效電路為圖 3。從等效電路圖中可以看出Mosfet 電路中存在一個寄生的二極管。可在特性曲線圖四中看出,Mosfet 和IGBT 的最大差異的部分是當漏極—源極之間的電壓大于芯片能承受的規定電壓時,Mosfet 就會操作在崩潰區,其機制等效為Mosfet 的反并聯二極管是一個齊納二極管,當能量超過某一值時,就會造成齊納擊穿,但除非無法降低漏極的電感,一般不建議操作在崩潰區。

從圖3等效電路圖中可以看出,IGBT 和Mosfet 差異還在于IGBT 在導通之前,存在二極管的順偏導通壓降,如圖 4 所示(藍色表示Mosfet 的特性曲線,紅色表示IGBT 的特性曲線)。所以從圖4中也可以看出部分差異,當模塊在相同小電流條件下正常工作(工作在飽和區)時,IGBT 的導通壓降大于Mosfet,即IGBT 的導通損耗大于Mosfet。

綜上所述,對于Mosfet和IGBT的差異已有簡單的了解,下文將在此基礎上,整理Mosfet(IGBT)替換IGBT(Mosfet)時設計的注意事項:

如原系統功率模塊使用IGBT,現考慮用Mosfet功率模塊替換,原系統的驅動設計需注意的事項如下:

1.適當減小柵極電阻,以減小開關損耗,以維持相近的溫升,同時可進一步降低誤導通的可能性;

2.檢測Mosfet 的漏極—源極之間的電壓,相應調整吸收電路,防止崩潰能量過高而擊穿;

3.對系統中相關的保護電路做出調整,特別對于過電流保護點等,必須根據規格書所給條件重新設置;

4.對于系統中的驅動電壓做出調整。一般建議正壓在10—12V左右,負壓為-2V 左右。

如原系統功率模塊使用Mosfet,現考慮用IGBT功率模塊替換,原系統的驅動設計需注意的更改事項如下:

1.適當增大柵極電阻,防止過壓擊穿,此操作必然會增加切換損耗,所以必須特別關注模塊溫升,防止模塊溫度過高;

2.檢測IGBT的柵極—發射極之間的電壓,增大關斷時的負壓值,防止誤導通;

3.對系統中相關的保護電路做出調整,特別對于過電流保護點等,必須重新設置;

4.對于系統中的驅動電壓做出調整。一般建議正壓在15左右,負壓為-5~-15V。

總結:

通過本文對Mosfet 和IGBT 應用區域的大致劃分的介紹,再從結構到電路再到特性曲線層層劃分和細致的對比描述,最后提出了一些驅動設計時的注意事項,希望能對讀者在Mosfet 和IGBT 的選擇和驅動設計上有一定的幫助。





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