SMPSIGBT在各种变换器应用中优于MOSFET
smpsigbt在各种变换器应用中优于mosfet
1引言
igbt的主要特点是具有低导通损耗和大电流密度，但在其于1982年问世之后的十几年中，开关速度远没有功率mosfet快，故在高频开关型电源（smps）应用领域中，一直是功率mosfet在唱主角。
功率mosfet的固有缺点是通态电阻（rds（on））比较大，其导通损耗约占总功率损耗的70％～75％，并且该损耗随结温升高和漏极电流（id）的增大而增加。针对mosfet导通损耗比较大这一弊端，人们不得不选用芯片尺寸大的器件，或者将两只或两只以上的mosfet并联使用。这必然会增加系统成本，增大pcb面积，影响电源密度。
在igbt的总功率损耗中，居支配地位的是其关断能耗（eoff，单位一般用μj）。igbt在由导通变为截止的过程中，其拖尾电流产生的关断能耗eoff在总功率损耗中的比例往往达80％。因此，提高开关速度，降低关断能耗，是使igbt升级换代的关键。
近两年来，美国intesil等公司在igbt设计与制造工艺方面取得了突破，推出了600v系列smps专用igbt，并将其称为“smpsigbt”。与先前的器件比较，smpsigbt的性能得到全面提高，开关频率可达150khz乃至200khz，在高频smps应用中优于功率mosfet。
2smpsigbt的主要技术创新及性能特点
smpsigbt在芯片图形设计和制作工艺上的主要技术创新有：
（1）采用了超浅结工艺，使结深较先前的器件减少了3倍；
（2）采用分布平版印刷技术（stepperbased
lithography）取代了先前的投影技术，从而可以获得整齐排列的精细线条和非常小的特征尺寸；
（3）采用条纹状栅格设计和自调准p＋槽（self?alignedp＋well）工艺，取代了传统的蜂窝状栅格结构及常规p＋槽制造技术；
（4）采用了垂直外延结构，并实现了外延层厚度与载流子寿命的精确控制。
从smpsigbt结构上看，属于穿通（punchthrough）型器件。这种新一代igbt的主要特点是：
（1）大电流密度和低通态电阻等固有特性进一步得到提升和增强；
（2）开关速度快，下降时间(tf）?100ns，接近于mosfet。即使在200khz的硬开关下，仍可以工作，并且器件优异的导通特性不受影响；
（3）在开关脉冲后沿形成的拖尾电流得到有效控制，关断损耗（eoff）较先前的器件降低50％以上。例如，60a（600v）级的smpsigbt在150khz下，eoff<200μj；
（4）具有方形安全工作区（s0a），工作电压和工作电流范围大，耐瞬态能量冲击能力强；
（5）耐短路时间（scwt）长，一般可达10μs；
（6）热阻小，散热能力和耐高温能力强。
smpsigbt的这些特点，在离线高频变换器中可以取代mosfet，并呈现出许多方面的优越性。
3smpsigbt的应用研究
目前制造商所提供的smpsigbt系列产品品种较多，其额定电流为3a～40a（@100khz），饱和压降（vce(sat)）典型值为1?6v（@125℃），下降时间（tf）典型值为70ns（@125℃），关断能耗（eoff）典型值是175μj（@125℃），可在不同种类的smps中用作开关。
3?1在105khz、450w两开关正向变换器中的应用
105khz、450w两开关正向变换器电路简图如图1所示。为对比smpsigbt替代额定电压/电流相当的mosfet之效果，在图1所示的电路中，q1和q2先选用2sk1170型mosfet，对系统参数进行测试。尔后再用hgtg12n60a4型smpsigbt替代2sk1170，并进行检测。hgtg12n60a4的额定电压/电流是600v/12a，采用to?247封装，芯片为3号尺码（size3为0.47cm×0.32cm）；2s1170同样采用to?247封装，额定电压/电流大体相当，芯片为5.5号尺码（size5.5为0.71cm×0.73cm）。
系统测试方法像热电耦放置一样。电源用电阻排加载，并调节到460w左右。电阻排用0?05％容差的线绕电阻器装配，封装在氧化铝罩壳内。为保证电阻值变化尽可能的小，这些电阻安装了强力空气冷却散热器。在测量时，输入dc电压设定在一个固定值上（如215v）。图2示出了分别用hgtg12n60a4型smpsigbt和2sk1170型功率mosfet作为开关时，变换器外壳温度和效率随环境温度变化对比曲线。虽然hgtg12n60a4的管芯面积仅为2sk1170的29％，但在50℃的环境温度下，其外壳温度仅为75℃，而mosfet外壳温度为89℃，二者相差14℃；在效率上smpsigbt比mosfet有约0?5％的提高，相当于损耗减小约3％。smpsigbt壳温的降低和损耗的减小，意味着在同样尺寸的散热器下，可以增加变换器输出功率；而在相同的输出功率条件下，可以选用尺寸小得多的散热器和较小芯片及封装尺寸的igbt，并可以在较高温度和较高频率下工作。
3?2smpsigbt在1.25kw的全桥变换器中替代
mosfet的效果
图3为用irfp460型mosfet作为开关的60khz、1.25kw全桥变换器电路简图。irfp640（q1～q4）均内含体二极管（bodydiode），起续流或阻尼的作
图1105khz、450w正向变换器电路简图（原图，未作格式处理）
图2在105khz、450w双开关正向变换器中，分别用hgtg12n60a4和2sk1170作为开关时外壳温度及效率对比曲线
(a)外壳温度(b)效率
图3用mosfet作为开关的1?25kw全桥变换器电路简图（原图，未作格式处理）
图4用smpsigbt作为开关的1?25kw全桥变换器电路简图（原图，未作格式处理） 图5在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet最高管壳温度比较 图6在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet功率损耗比较 用。对于smps来讲，高压功率mosfet的体二极管开关特性是非常重要的。mosfet的体二极管反向恢复特性是不良的。在mosfet的导通开关损耗中，其体二极管扮演着重要的角色，它将使emi/iri、电流振铃和在di/dt上的电压尖峰进一步恶化。由于变压器存在较大的漏感，为阻止mosfet的体二极管导通，不得不在每只mosfet漏极上串接一只肖特基二极管（cr2、cr3、cr10和cr11）。与此同时，还要在每只肖特基二极管两端分别并接一只齐纳二极管（cr1、cr18、cr8和cr9），以保护肖特基二极管不被击穿。此外，还要连接反并联（anti?parallel）二极管（cr5、cr4、cr6和cr7）。 如果用3号尺码（size3）芯片的hgtg12n60a4或内装有续流二极管的hgtg12n60a4d（co?packsmpsigbt），分别替代全桥变换器中6号尺码（size6）的irfp460（如图4所示），共可以节省12支二极管（每只smpsigbt节省3支二极管），从而使系统成本降低20％。 全桥变换器dc输入电压为373v，开关频率是60khz。关于系统有关参量的测量，必须采用精度足够的相应仪表。在电源通风入口及出口，可以安装热电耦用来测量工作环境温度。安置在器件上的热电耦用作测量管壳（case）温度。在测试过程中，电源负载电流从50a到250a，环境温度分别为25℃和50℃。每一种情况的测量，要求30分钟的稳定时间间隔。图5示出的是全桥变换器在60khz和50℃的环境温度下，两种smpsigbt与mosfet最高管壳温度随负载电流变化的对比曲线。在250a的负载电流下，hgtg12n60a4d的管壳温度与irfp460比较，至少降低22℃。图6为在50℃环境温度下，分别用smpsigbt与mosfet作为开关时的电源损耗比较曲线。在250a的满载电流下，smpsigbt的功率损耗较mosfet有5％～7％的降低，同时效率(pout/pin）提高1?32％以上，如图7所示。 在过载条件下，负载电阻可以设定在0.02ω到0.006ω。全桥变换器在25℃的通风入口温度下，稳定15分钟，取得测试数据。在过载条件下，输出电压随负载电流变化的折背（fold?back）响应曲线比较如图8所示。图9为在折背响应期间，smpsigbt与mosfet管壳温度比较曲线。 图7在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet效率对比曲线 图8在过载条件下的折背（fold?back）响应曲线比较 图9在折背响应期间的管壳温度比较 全桥变换器在250a的负载电流下工作，若将输出端短路2分钟，smpsigbt的管壳温度为32℃，而mosfet的管壳温度达38℃。 3?3其它应用 smpsigbt在功率因数校正（pfc）电路及其它一些变换器拓扑结构中，替代额定电压/电流相同或相近的mosfet，同样可以减少系统成本，降低功率损耗，提高电源效率、密度和可靠性。smpsigbt的问世，开始了igbt在高频化smps中应用的一个新时代。
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图4用smpsigbt作为开关的1?25kw全桥变换器电路简图（原图，未作格式处理） 图5在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet最高管壳温度比较 图6在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet功率损耗比较 用。对于smps来讲，高压功率mosfet的体二极管开关特性是非常重要的。mosfet的体二极管反向恢复特性是不良的。在mosfet的导通开关损耗中，其体二极管扮演着重要的角色，它将使emi/iri、电流振铃和在di/dt上的电压尖峰进一步恶化。由于变压器存在较大的漏感，为阻止mosfet的体二极管导通，不得不在每只mosfet漏极上串接一只肖特基二极管（cr2、cr3、cr10和cr11）。与此同时，还要在每只肖特基二极管两端分别并接一只齐纳二极管（cr1、cr18、cr8和cr9），以保护肖特基二极管不被击穿。此外，还要连接反并联（anti?parallel）二极管（cr5、cr4、cr6和cr7）。 如果用3号尺码（size3）芯片的hgtg12n60a4或内装有续流二极管的hgtg12n60a4d（co?packsmpsigbt），分别替代全桥变换器中6号尺码（size6）的irfp460（如图4所示），共可以节省12支二极管（每只smpsigbt节省3支二极管），从而使系统成本降低20％。 全桥变换器dc输入电压为373v，开关频率是60khz。关于系统有关参量的测量，必须采用精度足够的相应仪表。在电源通风入口及出口，可以安装热电耦用来测量工作环境温度。安置在器件上的热电耦用作测量管壳（case）温度。在测试过程中，电源负载电流从50a到250a，环境温度分别为25℃和50℃。每一种情况的测量，要求30分钟的稳定时间间隔。图5示出的是全桥变换器在60khz和50℃的环境温度下，两种smpsigbt与mosfet最高管壳温度随负载电流变化的对比曲线。在250a的负载电流下，hgtg12n60a4d的管壳温度与irfp460比较，至少降低22℃。图6为在50℃环境温度下，分别用smpsigbt与mosfet作为开关时的电源损耗比较曲线。在250a的满载电流下，smpsigbt的功率损耗较mosfet有5％～7％的降低，同时效率(pout/pin）提高1?32％以上，如图7所示。 在过载条件下，负载电阻可以设定在0.02ω到0.006ω。全桥变换器在25℃的通风入口温度下，稳定15分钟，取得测试数据。在过载条件下，输出电压随负载电流变化的折背（fold?back）响应曲线比较如图8所示。图9为在折背响应期间，smpsigbt与mosfet管壳温度比较曲线。 图7在50℃环境温度下，smpsigbt与mosfet效率对比曲线 图8在过载条件下的折背（fold?back）响应曲线比较 图9在折背响应期间的管壳温度比较 全桥变换器在250a的负载电流下工作，若将输出端短路2分钟，smpsigbt的管壳温度为32℃，而mosfet的管壳温度达38℃。 3?3其它应用 smpsigbt在功率因数校正（pfc）电路及其它一些变换器拓扑结构中，替代额定电压/电流相同或相近的mosfet，同样可以减少系统成本，降低功率损耗，提高电源效率、密度和可靠性。smpsigbt的问世，开始了igbt在高频化smps中应用的一个新时代。
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