mos管、igbt、三极管比较,mos开关速度最快,三极管最慢,而igbt内部是靠mos管先开通驱动三极管开通(这个原理决定了它的开关速度比mos慢,比三极管快,和几代技术无关)。mos管的最大劣势是随着耐压升高,内阻迅速增大(不是线性增大),所以高压下内阻很大,不能做大功率应用。随着技术发展,无论mos管还是igbt管,它们的各种参数仍在优化。目前igbt技术主要是欧美和日本垄断,国内最近2年也几个公司研究工艺,但目前都不算成熟,所以igbt基本都是进口。igbt的制造成本比mos高很多,主要是多了薄片背面离子注入,薄片低温退火(最好用激光退火),而这两个都需要专门针对薄片工艺的昂贵的机台(wafer一般厚度150um-300um之间)。
在低压下 igbt相对mos管在电性能和价格上都没有优势,所以基本上看不到低压igbt,并不是低压的造不出来,而是毫无性价比。在600v以上,igbt的优势才明显,电压越高,igbt越有优势,电压越低,mos管越有优势。导通压降,一般低压mos管使用都控制在0.5v以下(基本不会超过1v的)。比如ir4110,内阻4毫欧姆,给它100a的导通电流,导通压降是0.4v左右。
mos开关速度快,意味着开关损耗小(开关发热小),同样电流导通压降低,意味着导通损耗小(还是发热小)。
开关速度无论高压低压都是mos最快。 但高压下mos的导通压降很大,或者说mos管内阻随耐压升高迅速升高,比如600v 耐压的coolmos,导通电阻都是几百毫欧姆或几欧姆,这样它的耐流也很小(通过大电流就会烧掉),一般耐流几安或者几十安培。而igbt在高耐压压下,导通压降几乎没明显增大(原因还是主要导通电流是通过三极管),所以高压下igbt优势明显,既有高开关速度(尽管比mos管慢,但是开关比三极管快很多),又有三极管的大电流特性。
目前市场上新生代的EUV-X器件的IGBT饱和(导通)压降也能做到1.2V以下了。比先代IGBT的2.7~3.2V下降不少了, 几乎与VMOS 相差无几了。而IGBT的优点——开关速度高(纳秒级),通态压降低,开关损耗小(功率损耗是第一代的五分之一),耐脉冲电流冲击力强,且耐压高,驱动功率小等优点更加突出。已集双极型晶体管(GTR)和单极型MOSFET优点于一身。 未来的低成本,低压型(耐压200~300v)的IGBT电动车驱动模块,排除价格因素,普遍应用IGBT模块也应是迟早的事。
在需要耐压超过150V的使用条件下,MOS管已经没有任何优势!以典型的IRFS4115为例:VDS-150V,ID-105A(Tj=25摄氏度,这个唬人指标其实毫无实际使用价值),RDS-11.8 m 欧姆;与之相对应的 即使是第四代的IGBT型SKW30N60对比;都以150V,20A的电流,连续工况下运行,前者开关损耗6mJ/pulse,而后者只有1.15mJ/pulse,不到五分之一的开关损耗!就这点,能为用户省去多少烦恼?要是都用极限工作条件,二者功率负荷相差更悬殊!其实,很多时候,我们的影像中,还停留在多年前的IGBT的概念中。。。更不必比较现在的六,七代及以后的IGBT技术指标了!正因为如此,有大功率需求的诸如冶金,钢铁,高速铁路,船舶等领域已广泛应用IGBT 元器件,很少采用MOSFET来作为功率元器件。
为了理解dV/dt感生开通现象,我们必须考虑跟IGBT结构有关的电容。图1显示了三个主要的IGBT寄生电容。集电极到发射极电容C,集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容CGE。
图1 IGBT器件的寄生电容
这些电容对桥式变换器设计是非常重要的,大部份的IGBT数据表中都给出这些参数:
输出电容,COES=CCE+CGC(CGE短路)
输入电容,CIES=CGC+CGE(CCE短路)
反向传输电容,CRES=CGC
图2 半桥电路
图2给出了用于多数变换器设计中的典型半桥电路。集电极到栅极电容C和栅极到发射极电容C组成了动态分压器。当高端IGBT(Q2)开通时,低端IGBT(Q1)的发射极上的dV/dt会在其栅极上产生正电压脉冲。对于任何IGBT,脉冲的幅值与栅驱动电路阻抗和dV/dt的实际数值有直接关系。IGBT本身的设计对减小C和C的比例非常重要,它可因此减小dV/dt感生电压幅值。
如果dV/dt感生电压峰值超过IGBT的阀值,Q1产生集电极电流并产生很大的损耗,因为此时集电极到发射极的电压很高。
为了减小dV/dt感生电流和防止器件开通,可采取以下措施:
关断时采用栅极负偏置,可防止电压峰值超过V,但问题是驱动电路会更复杂。
减小IGBT的CGC寄生电容和多晶硅电阻Rg’。
图3给出了为反向偏置关断而设计的典型IGBT电容曲线。CRES曲线(及其他曲线)表明一个特性,电容一直保持在较高水平,直到V接近15V,然后才下降到较低值。如果减小或消除这种“高原”(plateau) 特性,C的实际值就可以进一步减小。
这种现象是由IGBT内部的本征JFET引起的。如果JFET的影响可以最小化,C和C可随着VCE的提高而很快下降。这可能减小实际的CRES,即减小dV/dt感生开通对IGBT的影响。
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