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Mosfet和IGBT应用和驱动对比简介

作者:昆山东森微电子有限公司  转载自:www.ksmcu.com  发布日期:2019/12/25

​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。


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。

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。

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:

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。





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