用IGBT代替MOSFET的可行性分析

一、 引言
电力电子设备正朝着高频、高效、高可靠、高功率因数和低成本的方向发展，功率器件则要求高速、高可靠、低损耗和低成本。目前所用功率器件主要是功率MOSFET和IGBT.IGBT是为降低功率MOSFET的导通电阻RDS（ON） ，将双极晶体管的集电区电导调制效应引入MOSFET的漏极，实现了漏极高阻漂移区的电导调制效应，从而降低了IGBT的导通压降VCE（ON） .从制造工艺上讲，MOSFET和IGBT的不同只是原始Si材料的不同，MOSFET采用N-N+同型外延Si片，IGBT采用N-P+异型外延Si片，在同型外延Si片上用MOSFET工艺生产出的器件为MOSFET，在异型外延Si片上用MOSFET工艺生产出的器件为IGBT.N-P+结的引入使得IGBT为一个四层（N+P N-P+）结构。所谓电导调制是指处于正偏的N-P+结，由P+向N-区注入少子空穴，实现了N-区的电导调制，使N-区的电阻率降低。因为少子注入，在关断期间就存在少子复合，所以IGBT的开关速度要慢于MOSFET.那么在多高的开关频率下，IGBT可以替代MOSFET？要做具体分析。

二、 为什么要取代MOSFET ？

降低MOSFET的RDS（ON）是高压功率MOSFET发展中很难解决的问题， 降低RDS（ON）的主要办法是增加芯片面积。面积增加，速度下降，生产合格率降低，而成本大幅度提高。在相同电压和电流下，IGBT芯片面积不足MOSFET芯片面积的1/2，而且开关速度近似，同时成本降低一半。所以用IGBT代替MOSFET可在性能不变的情况下，大幅度降低成本，而且对于几千安培、数千伏特的应用，MOSFET是不能实现的。

三、 用IGBT代替MOSFET的可行性
1. IGBT和MOSFET电性能的不同相同功率容量的IGBT和MOSFET的主要区别是IGBT速度可能慢于MOSFET，再者就是IGBT存在关断拖尾时间ttail .ttail 长，死区时间也要加长，从而影响了使用开关频率。表1是APT公司生产的IGBT和MOSFET可互换器件的主要电参数。

表1

由表1可见APT30GP60B和APT5010B2LL相比， toff较长，而硅片面积ASi和归一成本，APT5010B2LL均是APT30GP60B的两倍。

2.IGBT 和MOSFET 可使用开关频率fSM和结温Tj在大功率器件的使用中，所有参数都受器件结温Tj的限制，手册中给出Tjm=150℃，而使用中要控制Tjm≤125℃，有试验表明Tj每增高2℃，可靠性下降10％。所以一种器件可否代替另一种器件的首要考虑是在相同应用条件下， Tj是否超过125℃，其次要考虑在相同的应用条件下，可使用的开关频率可否近似。器件应用中的总功耗Pt：Pt=（Tj-Tc）/ Rthjc= PC+PS+PD+PR PC=D.IC.VCE（ON） （D.ID2.RDS（ON））为导通损耗，D为占空比， VCE（ON） 为导通压降， RDS（ON）为导通电阻， IC为应用电流。

PS= fS（Eon +Eoff）为开关损耗， fS为使用开关频率， Eon 和Eoff为一个周期内的开通和关断能量损耗。

PD=△VG.QG.fS 为驱动损耗， △VG为通导到关断栅电压， QG为栅电荷。

PR=（1-D）。VR.IR为关断损耗， VR和IR分别为反向电压和电流。

PD 、PR 和PC 、PS相比一般是很小的，因此可忽略不计。

∴ （Tj-Tc）/ Rthjc= D.IC.VCE（ON） （D.ID2.RDS（ON） ）+fS（Eon +Eoff）

而 Tj= Rthjc×[ D.IC.VCE（ON） +fS（Eon +Eoff）]+ Tc 对于IGBT <1> Tj= Rthjc×[D.ID2.RDS（ON） +fS（Eon +Eoff）]+ Tc 对于MOSFET <2> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.IC.VCE（ON）]/ （Eon +Eoff） 对于IGBT <3> fS =[（Tj-Tc）/ Rthjc－D.ID2.RDS（ON）]/ （Eon +Eoff） 对于MOSFET <4>对于<1>－<4>式，除Eon 和Eoff之外的参数均是应用条件和手册中可查到的。对于IGBT，Eon和Eoff在手册中可查到测试条件下的测试值，MOSFET手册中并不给出。所以Eon 和Eoff要根据应用条件和Eon 、Eoff的测试方法来计算。

Eon =∫τon0V（t）。I（t）dt <5> Eoff=∫τoff0V（t）。I（t）dt <6>对于电感负载 <5> 和<6>近似为：Eon =1/2V.I.τon <7> Eoff=1/2V.I.τoff <8> <7>、<8>式中的τon ，对桥式电路和单端电路是不同的。对桥式电路 τon=ton +trr ，trr为反并联二极管的反向恢复时间。对单端电路 τon=ton .对于τoff，不管桥式或单端电路τoff=toff. 3.在相同拓扑电路和应用条件下fSM和结温Tj的计算应用条件：桥式硬开关电路，Tj≤125℃，Tc≤80℃，V=300V，I=30A，D=0.5，fS=100KHZ .将上述条件代入<7>和<8>式以及<1>－<4>式，结果如表2所示表2

四、 分析和讨论

IGBT能否代替MOSFET，首先要考虑在相同的使用条件下，可使用的开关频率fSM是否满足要求，再考虑Tj是否小于125℃。

在上述应用条件下，APT30GP60B和APT5010B2LL可使用频率均大于100 KHZ ，而Tj均低于125℃。若在fS≤120KHZ下使用，两者均能满足Tj<125℃要求，所以在上述条件下APT30GP60B可代替APT5010B2LL.