在SMPS使用中选择IGBT和MOSFET的比较

开关电源（SwitchModePowerSupply；SMPS）的性能在很大程度上依靠于功率半导体器件的选择，即开关管和整流器。虽然没有万全的方案来处理选择IGBT还是MOSFET的问题，但针对特定SMPS使用中的IGBT和MOSFET进行性能比较，确定关键参数的范围还是能起到一定的参考作用。本文将对一些参数进行探讨，如硬开关和软开关ZVS（零电压转换）拓扑中的开关损耗，并对电路和器件特性相关的三个主要功率开关损耗—导通损耗、传导损耗和关断损耗进行描述。此外，还通过举例说明二极管的恢复特性是决定MOSFET或IGBT导通开关损耗的主要因素，讨论二极管恢复性能对于硬开关拓扑的影响。

SMPS的进展

一直以来，离线式SMPS产业由功率半导体产业的功率元件发展所推动。作为主要的功率开关器件IGBT、功率MOSFET和功率二极管正不断改良，相应地也是分明地改善了SMPS的效率，减小了尺寸，重量和成本也随之降低。由于器件对使用性能的这种笔直影响，SMPS设计人员非得比较不同半导体技术的各种优缺点以优化其设计。例如，MOSFET一般在较低功率使用及较高频使用（即功率《1000W及开关频率≥100kHz）中表现较好，而IGBT则在较低频及较高功率设计中表现卓越。为了做出真切的评估，笔者在SMPS使用中比较了来自飞兆半导体的IGBT器件FGP20N6S2（属于SMPS2系列）和MOSFET器件FCP11N60（属于SuperFET产品族）。这些产品具有相似的芯片尺寸和相同的热阻抗RθJC，代表了功率半导体产业现有的器件水平。

导通损耗

除了IGBT的电压下降时间较长外，IGBT和功率MOSFET的导通特性十分类似。由基本的IGBT等效电路（见图1）可看出，完全调节PNPBJT集电极基极区的少数载流子所需的时间导致了导通电压拖尾（voltagetail）出现。

图1IGBT等效电路

这种延迟引起了类饱和（Quasi-saturation）效应，使集电极/发射极电压不能立即下降到其VCE（sat）值。这种效应也导致了在ZVS情况下，在负载电流从组合封装的反向并联二极管转换到IGBT的集电极的瞬间，VCE电压会上升。IGBT产品规格书中列出的Eon能耗是每一转换周期Icollector与VCE乘积的时间积分，单位为焦耳，蕴含了与类饱和相关的其他损耗。其又分为两个Eon能量参数，Eon1和Eon2。Eon1是没有包括与硬开关二极管恢复损耗相关能耗的功率损耗；Eon2则包括了与二极管恢复相关的硬开关导通能耗，可通过恢复与IGBT组合封装的二极管相同的二极管来测量，典型的Eon2探测电路如图2所示。IGBT通过两个脉冲进行开关转换来测量Eon。第一个脉冲将增大电感电流以达致所需的探测电流，然后第二个脉冲会测量探测电流在二极管上恢复的Eon损耗。

图2典型的导通能耗Eon和关断能耗Eoff探测电路

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