在SMPS应用中选择IGBT和MOSFET的比较

### 在SMPS应用中选择IGBT和MOSFET的比较 #### 引言 开关电源（Switch Mode Power Supply，简称SMPS）是现代电子设备中不可或缺的一部分，它通过高效的能量转换来提供稳定的直流电源。SMPS的性能很大程度上取决于所选功率半导体器件的特性，特别是开关管和整流器的选择。在众多功率半导体器件中，绝缘栅双极晶体管（IGBT）和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）是最常用的选择。本文将深入探讨这两种器件在SMPS应用中的比较。 #### IGBT与MOSFET概述 - **IGBT**：IGBT结合了MOSFET的高速开关特性和双极晶体管的大电流处理能力。它适用于中到高功率应用，特别是在需要较低导通电阻和较高效率的应用场合。 - **MOSFET**：MOSFET因其简单的控制电路、较快的开关速度和较低的成本，在低功率和高频应用中表现优异。 #### 关键参数的比较 1. **导通损耗** - IGBT和MOSFET在导通状态下都呈现出相似的特性。然而，IGBT存在一种称为“类饱和”效应的现象，这导致了IGBT的导通电压下降时间较长。 - 在导通状态下，IGBT的集电极-发射极电压（VCE）不能立即下降至其饱和值VCE(sat)，这一现象在零电压转换（Zero Voltage Switching，ZVS）情况下尤为显著。 - 导通损耗（Eon）是指每个开关周期内Icollector与VCE乘积的时间积分。对于IGBT而言，通常分为Eon1（不包含与硬开关二极管恢复损耗相关的能量）和Eon2（包含硬开关导通期间的损耗）。 2. **传导损耗** - 传导损耗主要由器件在导通状态下的导通电阻引起。 - 对于IGBT，较低的导通电阻（Ron）使其在大电流下具有更低的传导损耗。 - 而MOSFET则通常在较低功率和较高频率的应用中表现出更低的传导损耗。 3. **关断损耗** - 关断损耗（Eoff）指的是器件在关断过程中消耗的能量。 - IGBT的关断损耗通常高于MOSFET，因为IGBT需要清除更多的存储电荷。 - MOSFET的关断过程更快，因此关断损耗相对较低。 4. **二极管恢复特性** - 在硬开关电路中，二极管的恢复特性对开关损耗有很大影响。 - 对于使用IGBT的SMPS，选择快速恢复或软恢复特性的二极管至关重要，可以减少开关损耗并提高效率。 - MOSFET的体二极管恢复特性相对较慢，这限制了MOSFET在高频应用中的使用。 #### 实际应用案例 以飞兆半导体公司的IGBT器件FGP20N6S2（SMPS2系列）和MOSFET器件FCP11N60（SuperFET产品族）为例，这两款产品具有相近的芯片尺寸和相同的热阻抗RθJC，代表了当前功率半导体行业的技术水平。 - **FGP20N6S2**（IGBT）： - 适合中高功率应用。 - 在较低频率下具有更好的性能。 - 较低的导通电阻（Ron）使得在大电流条件下具有较低的传导损耗。 - **FCP11N60**（MOSFET）： - 更适用于低功率和高频应用。 - 快速的开关速度减少了开关损耗。 - 较低的栅极电荷（Qg）使其易于驱动。 #### 结论 选择IGBT还是MOSFET取决于具体应用的需求。MOSFET更适合于低功率和高频应用，而IGBT则更适合于中到高功率和较低频率的应用。通过对关键参数（如导通损耗、传导损耗、关断损耗和二极管恢复特性）的比较分析，设计人员可以根据实际需求做出最合适的器件选择，从而优化SMPS的整体性能。