為什么CIPOS™ Mini更偏向于使用IGBT芯片，而非Si MOSFET？

圖1：CIPOS Mini

CIPOS mini專為低功率電機驅動應用而設計，它采用600V IGBT，適用于功率范圍在200W-3.3kW的應用。我們在為電機驅動應用選擇合適的開關技術時，需要考慮以下開關參數：

• 轉換效率

• 魯棒性

• 成本

在評估開關轉換效率時，考慮潛在的開關損耗至關重要，這包括：

• 導通損耗

• 開關損耗

• 二極管反向恢復損耗

MOSFET和IGBT在導通狀態下，都會產生導通損耗。

MOSFET的損耗是導通電阻（Rdson）引起的，導致導通期間出現壓降。該電阻隨著溫度的升高而增加，在高溫下會導致更高的損耗。

IGBT的導通損耗也是由器件導通（ON）時的壓降造成的，用參數Vce(sat)表示。相同電流密度下，它隨溫度的變化程度較低。

圖2比較了相同芯片尺寸的MOSFET（IP60R099C6）和IGBT（IRGP4063D）的壓降隨溫度的變化情況。

圖2：在相同電流密度下，兩個器件的導通壓降與溫度的關系

一般而言，MOSFET的開關速度比IGBT更快。

MOSFET屬于電壓控制器件，其開關速度取決于充放電柵極電容的時間。由于柵極電容較小，它可以更快地從導通狀態和關斷狀態進行轉換，實現快速的充放電。

IGBT也屬于電壓控制器件，但它整合了MOSFET和雙極晶體管的特性。由于內部存在雙極晶體管結構，因此與MOSFET相比，IGBT的開關速度更慢。由于在開關過程中，IGBT需要克服內部晶體管基極區存儲的電荷，這增加了開關過程的延遲。

MOSFET在其結構中固有地包含一個內置二極管，這一特性無法更改。與此相反，IGBT在其結構中沒有集成二極管。英飛凌在其智能功率模塊中使用了快恢復二極管。通過超薄晶圓和場截止等先進技術，發射極控制二極管適用于消費和工業應用，反向恢復過程平穩，從而顯著降低IGBT的導通損耗。

在電機驅動應用中，所選開關器件的魯棒性發揮著重要作用。這需要評估系統短路期間的器件行為。

IGBT在典型的工作模式中，會在導通（ON）期間在飽和區內工作；在短路時，集電極電流（Ic）激增，迅速從飽和區轉移到有源區。這種轉變會導致集電極電流受到自身的限制，而不受集電極-發射極電壓（Vce）的影響，因此，IGBT電流的增加及隨后的功耗是自動受到限制的。

相比之下，MOSFET在正常導通（ON）期間，在線性區運行；在短路時，MOSFET進入飽和區。與IGBT不同，MOSFET的線性區很廣。從線性區向飽和區的轉變，發生在較高的漏源電壓（Vds）水平下。隨著Vds值增加，漏極電流也增加。但由于Vds不斷升高，器件往往在抵達該轉變點之前，就發生故障。

這些固有特性將影響MOSFET短路保護機制的實現方式，因此，其設計與IGBT不同。

IGBT的這些特性使其更具魯棒性，因此，更適用于電機驅動應用。

精簡的IGBT生產流程比MOSFET更具競爭優勢。這些優勢帶來了規模經濟效應，提高了基于IGBT的IPM的成本效益。