IGBT和MOSFET驱动对比

嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.1ApplicationNoteAN7008V0.0Mosfet和IGBT驱动对比的简介编写：陈浩审阅：[e-mail]@powersemi.com简述：一般中低马力的电动汽车电源主要用较低压（低于72V）的电池组构成。由于需求的输出电流较高，因此市场上专用型的Mosfet模块并不常见，所以部分设计者可能会存在没有合适的Mosfet模块使用，而考虑使用功率IGBT模块。本文简单的探讨两种模块驱动设计时必须注意的问题供设计者参考。常见应用条件划分：选用IGBT或Mosfet作为功率开关本来就是一个设计工程师最常遇到的问题。如果从系统的电压、电流和切换功率等因数来考虑，IGBT和Mosfet的应用区域可简单的划分如下：较合适IGBT应用的条件（硬开关切换）：1）切换频率低于25kHz；2）电流变化较小的负载；3）输入电压高于1000V；4）高温环境；5）较大输出功率的负载。较合适Mosfet应用的条件（硬开关切换）：1）切换频率大于100kHz；2）输入电压低于250V；3）较小输出功率的负载。根据上述描述，可以用图一来更清楚的看出两者使用的条件。图中的斜线部分表示IGBT和Mosfet在该区域的应用都存在着各自的优势和不足，所以该区域两者皆可选用。而“？”部分表示目前的工艺尚无法达到的水平。对于中低马力的电动汽车而言，其工作频率在20KHz以下，工作电压在72V以下，故IGBT和Mosfet都可以选择，所以也是探讨比较多的应用。2011—04—26嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.2ApplicationNoteAN7008V0.0图1IGBT和Mosfet常见应用区域图特性对比：Mosfet和IGBT在结构上的主要差异来自于高压化的要求，因此也形成了Mosfet模块与IGBT模块输入特性不同，以下就从结构的角度出发来作一简要说明。Mosfet和IGBT的内部结构如图2所示。Mosfet基本结构IGBT基本结构图2功率MOSFET与IGBT的构造比较嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.3ApplicationNoteAN7008V0.0功率Mosfet是通过在门极上外加正电压，使p基极层形成沟道，从而进入导通状态的。此时，由于n发射极（源极）层和n基极层以沟道为媒介而导通，Mosfet的漏极—源极之间形成了单一的半导体。n基极层的作用是在关断状态下，维持漏极—源极之间所外加的电压不至于使其击穿。因此需要承受的电压越高，该层就越厚。需求元件的耐压性能越高，漏极—源极之间的电阻也就必须越大，所以大电流的应用则通常必须透过并联才能达到。为了改善Mosfet的限制，IGBT在Mosfet的基础上追加了p+层，所以从漏极方面来看，它与n基极层之间构成了pn二极管，大大提高了耐压性能。如此结构同时形成一个结型场效应管JFET来承受大部分电压，让结构中的Mosfet不需承受高压，从而可降低通态电阻的值，能更容易地实现高压大电流。对于Mosfet来说，仅由多子承担的电荷运输没有任何存储效应，因此，很容易实现极短的开关时间。但是，和Mosfet有所不同，IGBT器件中少子也参与了导电。所以IGB结构虽然使导通压降降低，但是存储电荷的增强与耗散引发了开关损耗，延迟时间（存储时间），以及在关断时还会引发集电极拖尾电流就限制了IGBT的开关频率。结合上文所述可以看出Mosfet开关损耗小，开关速度快，所以适用于高频切换的场合；IGBT导通压降低，耐压高，所以适用于高压大功率场合。所以从功耗的角度来说，应用时要注意对于驱动开关频率、门极电阻和驱动电压的调节，以符合系统温升的要求，并且对于系统中的做出调整。一般而言，IGBT的正压驱动在15V左右，而Mosfet建议在10—12V左右；驱动电压负压的作用主要是防止关断中的功率开关管误导通，同时增加关断速度。因为IGBT具有拖尾电流的特性，而且输入电容比较大，所以建议在-5—-15V之间，而Mosfet因为拖尾电流的特性不明显，所以建议加-2V左右的负压。一般应用工程师所参考的等效电路为图3。从等效电路图中可以看出Mosfet电路中存在一个寄生的二极管。可在特性曲线图四中看出，Mosfet和IGBT的最大差异的部分是当漏极—源极之间的电压大于芯片能承受的规定电压时，Mosfet就会操作在崩溃区，其机制等效为Mosfet的反并联二极管是一个齐纳二极管，当能量超过某一值时，就会造成齐纳击穿，但除非无法降低漏极的电感，一般不建议操作在崩溃区。嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.4ApplicationNoteAN7008V0.0图3Mosfet和IGBT简化等效电路图图4Mosfet和IGBT输出特性曲线从图3等效电路图中可以看出，IGBT和Mosfet差异还在于IGBT在导通之前，存在二极管的顺偏导通压降，如图4所示（蓝色表示Mosfet的特性曲线，红色表示IGBT的特性曲线）。所以从图4中也可以看出部分差异，当模块在相同小电流条件下正常工作（工作在饱和区）时，IGBT的导通压降大于Mosfet，即IGBT的导通损耗大于Mosfet。综上所述，对于Mosfet和IGBT的差异已有简单的了解，下文将在此基础上，整理Mosfet（IGBT）替换IGBT（Mosfet）时设计的注意事项。嘉兴斯达半导体有限公司STARPOWERSEMICONDUCTORLTD.5ApplicationNoteAN7008V0.0Mosfet（IGBT）替换IGBT（Mosfet）时设计注意事项：如原系统功率模块使用IGBT，现考虑用Mosfet功率模块替换，原系统的驱动设计需注意的事项如下：1.适当减小栅极电阻，以减小开关损耗，以维持相近的温升，同时可进一步降低误导通的可能性；2.检测Mosfet的漏极—源极之间的电压，相应调整吸收电路，防止崩溃能量过高而击穿；3.对系统中相关的保护电路做出调整，特别对于过电流保护点等，必须根据规格书所给条件重新设置；4.对于系统中的驱动电压做出调整。一般建议正压在10—12V左右，负压为-2V左右。如原系统功率模块使用Mosfet，现考虑用IGBT功率模块替换，原系统的驱动设计需注意的更改事项如下：1.适当增大栅极电阻，防止过压击穿，此操作必然会增加切换损耗，所以必须特别关注模块温升，防止模块温度过高；2.检测IGBT的栅极—发射极之间的电压，增大关断时的负压值，防止误导通；3.对系统中相关的保护电路做出调整，特别对于过电流保护点等，必须重新设置；4.对于系统中的驱动电压做出调整。一般建议正压在15左右，负压为-5—-15V。总结：通过本文对Mosfet和IGBT应用区域的大致划分的介绍，再从结构到电路再到特性曲线层层划分和细致的对比描述，最后提出了一些驱动设计时的注意事项，希望能对读者在Mosfet和IGBT的选择和驱动设计上有一定的帮助。