IGBT如何改善寄生電容，適合高頻操作

?IGBT與Si MOSFET相比，主要區(qū)別在于它們的物理結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。? IGBT結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗和高開關(guān)速度(雖然比MOSFET慢，但比雙極晶體管快)，即使在高壓條件下也能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。而Si MOSFET由于柵極隔離，具有高輸入阻抗和快速開關(guān)的特點(diǎn)，但在高壓下的導(dǎo)通電阻較高?1。

在導(dǎo)通特性方面，IGBT的導(dǎo)通損耗由器件導(dǎo)通時(shí)的壓降造成，其參數(shù)為Vce(sat)，隨溫度變化較小。而SiC MOSFET的導(dǎo)通特性表現(xiàn)得更像一個(gè)電阻輸出特性，具有更小的導(dǎo)通損耗，特別是在電流較小的情況下?2。

在開關(guān)特性方面，Si MOSFET的開關(guān)速度比IGBT更快，因?yàn)樗鼘儆陔妷嚎刂破骷?，柵極電容較小，能夠更快地從導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換。IGBT由于內(nèi)部存在雙極晶體管結(jié)構(gòu)，在開關(guān)過程中需要克服內(nèi)部晶體管基極區(qū)存儲的電荷，導(dǎo)致開關(guān)速度較慢?23。

在應(yīng)用場景方面，IGBT適用于高電壓應(yīng)用，因?yàn)樗诟唠妷簵l件下能實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻。而Si MOSFET適用于低電壓應(yīng)用，因其具有快速開關(guān)的特點(diǎn)。此外，SiC MOSFET由于其高工作頻率和低導(dǎo)通阻抗，適用于高頻和高效率的應(yīng)用場景，如新能源汽車的牽引逆變器?

與 Si MOSFET 相比，IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻斷電壓，因此非常適合高壓應(yīng)用。IGBT 開關(guān)是 DC/AC 逆變器和圖騰柱 PFC 慢橋臂的理想選擇。

圖1：場截止 VII 的導(dǎo)通損耗(VCE=600V 時(shí))

場截止 VII、IGBT、1200V

全新 1200 V 溝槽場截止 VII IGBT 系列

快速開關(guān)型，適合高開關(guān)頻率應(yīng)用

改善了寄生電容，適合高頻操作

優(yōu)化了二極管，實(shí)現(xiàn)低 VF 和軟度

IGBT FGY4L140T120SWD

FS7 系列 1200V、140A IGBT

TO247-4 封裝具有較低的 Eon，可支持更高的開關(guān)頻率和功率

高壓超級結(jié) (SJ) MOSFET

硅高壓技術(shù)

成本更低，在功率要求較低的應(yīng)用中可替代 SiC

可在各種高壓應(yīng)用(升壓 PFC、DC-DC 轉(zhuǎn)換和 DC-AC 級)中用作開關(guān)，在較高功率下?lián)p耗較大

安森美 SUPERFET V (600V) 和 SUPERFET III (650V) 系列的 FAST 版本非常適合快速切換應(yīng)用

提供多種封裝

MOSFET NTHL041N60S5H

單 N 溝道，SUPERFET V，600V，57A，41mΩ

TO-247 封裝

PD 高達(dá) 329W

Rg @1MHz 0.6Ω

MOSFET dV/dt 120 V/ns

圖2：TO247-3 和 TO247-4 封裝的場截止 VII 開關(guān)損耗比較

圖3：NTHL041N605SH 與競爭產(chǎn)品的總開關(guān)損耗比較

為功率開關(guān)搭配柵極驅(qū)動器

功率 MOSFET 是一種電壓控制器件，用作開關(guān)元件。為了操作 MOSFET，通常須將一個(gè)電壓施加于柵極(相對于器件的源極或發(fā)射極)。使用專用驅(qū)動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅(qū)動電流。

之所以需要使用柵極驅(qū)動器，是因?yàn)榭刂齐娐吩诘碗妷合鹿ぷ?，無法提供足夠的功率來快速安全地為 MOSFET 柵極充電。圖 9 顯示了控制各類開關(guān)所需的電壓水平。柵極驅(qū)動器用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率器件。

圖4：MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動

在圖4中，可以看到 SiC MOSFET 驅(qū)動的一個(gè)有趣特性：負(fù)柵極偏壓電源。為柵極提供負(fù)電壓有兩個(gè)重要原因。

如果關(guān)斷 MOSFET，在關(guān)斷序列結(jié)束時(shí)，VGS(柵源電壓)通常為 0V，可能會出現(xiàn)過度振鈴。這是由非常高的 dV/dt 引起的，并且會因寄生電容而加劇，產(chǎn)生感應(yīng)沖擊。這種感應(yīng)沖擊可能會在 MOSFET 應(yīng)該已經(jīng)關(guān)斷的時(shí)候造成其意外導(dǎo)通，導(dǎo)致半橋內(nèi)電路短路并損壞 MOSFET。如果將 VGS 降低至負(fù)電壓，則會產(chǎn)生額外的裕量，發(fā)生感應(yīng)沖擊的可能性就會減小。

此外，將關(guān)斷電壓降低至 0V 以下可以減少開關(guān)損耗。如圖 10 所示，當(dāng)驅(qū)動安森美的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 時(shí)，開關(guān)損耗可減少多達(dá) 100uJ，從而使 EOFF 損耗減少 25%。更多信息可參閱 安森美 EliteSiC 第二代 1200V SiC MOSFET M3S 系列應(yīng)用手冊。

圖 5：負(fù)柵極偏壓與開關(guān)損耗的關(guān)系

SiC 柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合如表3 所示，列出了產(chǎn)品的最大工作電壓、拉/灌電流和通道數(shù)。隔離式 IGBT 柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合及其特性、額定電壓和拉/灌電流如表4所示。

表3：安森美 SiC 柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合

表4：安森美 IGBT 柵極驅(qū)動器產(chǎn)品組合

柵極驅(qū)動器 NCD57080

隔離式高電流柵極驅(qū)動器

高電流峰值輸出 (6.5 A/6.5 A)

欠壓鎖定，有源米勒箝位

3.75 kV 電氣隔離，CMTI≥100 V/ns

傳播延遲典型值 60 ns

單通道

SOIC-8 封裝

4.5 A/9 A 峰值拉/灌電流

30V 輸出擺幅

36 ns 傳播延遲，延遲匹配最大值 5 ns

3.75 kV 電氣隔離，CMTI≥200 V/ns

單通道

集成負(fù)偏壓產(chǎn)生功能 - 簡化驅(qū)動并節(jié)省系統(tǒng)成本

SOIC-8 封裝

通常采用穩(wěn)壓器和 LDO 來提供穩(wěn)定的低電壓。在要求電路簡單、低成本和低工作電流的設(shè)計(jì)中，LDO 是首選。雖然開關(guān)模式穩(wěn)壓器能提高效率、降低功耗，但在大多數(shù)情況下，其設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，而且更昂貴。

NCP730 是一款 CMOS LDO 穩(wěn)壓器，具有超低靜態(tài)電流(典型值 1 μA)、快速瞬態(tài)響應(yīng)和寬輸入范圍 (2.7 V – 38 V)。提供固定和可調(diào)電壓兩種版本。

對于 UPS 及任何其他電源應(yīng)用，確保低壓系統(tǒng)安全運(yùn)行非常重要。在具有裸露連接器的系統(tǒng)中，包括對工業(yè) UPS 至關(guān)重要的 CAN 總線接口，可能會發(fā)生 ESD。在安裝和維護(hù)期間，此類接口可能會暴露出來。這些模塊上可能會積聚過多的電荷，當(dāng)將電纜連接到帶 CAN 收發(fā)器的控制模塊時(shí)，過多的電荷可能會從電纜流入模塊，然后流入 CAN 收發(fā)器，最大放電電壓可達(dá) 30 kV，可能會損壞系統(tǒng)。穩(wěn)健的系統(tǒng)級保護(hù)是安森美產(chǎn)品具有的突出特性之一。

NUP2105L 旨在保護(hù)高速和容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)中的 CAN 收發(fā)器，使其免受 ESD 和其他有害瞬態(tài)電壓事件的影響。它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一種低成本選擇，可提高系統(tǒng)可靠性并滿足嚴(yán)格的 EMI 要求，包括 IEC 61000-4-2、4 級、30 kV。