在低功率压缩机驱动电路内，意法半导体超结MOSFET与IGBT技术比较

半导体

　　电机驱动市场特别是家电市场对系统的能效、尺寸和稳健性的要求越来越高。
　　为满足市场需求，意法半导体针对不同的工况提供多种功率开关技术，例如， IGBT和最新的超结功率MOSFET。
　　本文在实际工况下的一个低功耗电机驱动电路(例如，小功率冰箱压缩机)内测试了基于这两种功率技术的SLLIMM?-nano(小型低损耗智能模压模块)，从电热性能两个方面对这两项技术进行了详细的分析和比较。
　　1前言
　　家电厂商不断地寻求更高的产品能效，以符合日益趋严的能效法规，达到降低能耗和节省电费的目的。更具体地讲，主要需求是降低设备在低负载稳态以及满载工况下的功率损耗。因此，研发高能效开关，特别是在低电流条件下实现高能效，是达到这个市场需求的关键要素，同时也是半导体厂商研发新技术的动力。
　　因为过去几年技术改良取得较大进步，意法半导体最新的功率MOSFET技术可以成功地替代变频电机控制器的IGBT开关，而且在很多应用领域特别是在低负载工况下是首选的功率开关解决方案。
　　除了对一般能效的持续需求外，整个变频系统设计还需要优化尺寸、可靠性和开发工作量。为满足这些多重目标，在成功推出SLLIMM系列后，意法半导体的SLLIMM-nano产品家族新增两种不同的功率开关技术：
　　· IGBT: IGBT: 3/5/8 A、600 V内置超高速二极管的PowerMESH? 和沟槽场截止IGBT - STGIPNxH60y, STGIPQxH60y
　　· 超结MOSFET: 3/5 A、600V 内置快速恢复二极管N沟道 MDMesh? DM2 功率MOSFET - StiPQxM60y
　　从这两项技术中选择哪一项技术需要考虑多个因素，例如，功率大小、PWM开关频率、工作温度、控制策略。
　　本文在小功率压缩机典型工况中对两个不同的SLLIMM-nano智能功率模块进行了详细的电气表征和热性能比较，这两款模块分别采用下面两项开关技术：3 A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和 3 A 超结MOSFET(STIPQ3M60x)。
　　2电机驱动应用和硬开关换流
　　电机控制的主要应用包括基于三个半桥的变压变频逆变器。在硬开关换流半桥拓扑内，续流二极管必须具有低正向偏压和快速反向恢复(低 trr 和 Qrr)的特性。电机驱动的典型开关频率是在4 kHz 到 20 kHz范围内，以降低人耳能够听见的噪声。要想优化功率开关的低频性能，首先是开关需具有低通态损耗，其次是低开关损耗。电机驱动器还必须稳健可靠，在保护电路激活前，能够长时间耐受电压电流突变。
　　因为是单极器件，无少数载流子，功率MOSFET的优点是正向偏压(VDS(on))随漏极电流线性降低，关断换流快。另一方面，其固有体硅二极管表现出与分立二极管相同的物理局限性，这是MOSFET结构所致。
　　在IGBT内，电压降(VCE(sat))与集电极电流不是线性关系。在变为通态前会出现一个阈压，饱和时在某一个集电极电流之上有一个接近恒定的正向压降。为取得预定的反向恢复能耗和正向偏压，可以选择共同封装的二极管及其尺寸。
　　最后，与IGBT相比，功率MOSFET的通态损耗低，尤其是在低电流时更为显着;关断能耗低，但导通能耗较高。加快体硅二极管的反向恢复速度与所用技术工艺有关。
　　3 意法半导体的电机控制功率开关技术
　　为满足电机控制的需求，意法半导体以SLLIMM-nano系列产品形式提供多种功率开关技术。
　　3.1. 内置续流二极管的IGBT
　　SLLIMM-nano系列产品所用的600 V IGBT采用意法半导体独有的先进的PowerMESH(STGIPQ3H60x) 和沟槽场截止制造工艺 (STGIPQ5C60x, STGIPQ8C60x)。
　　这些功率器件提供典型的电机控制开关频率，在压降(VCE(sat))和开关能耗(Eon和Eoff)之间取得完美平衡，因此最大限度降低了通态和开关两大损耗源产生的损耗。
　　IGBT和Turbo 2超高速高压续流二极管安装在同一个封装内，二极管经过优调处理，取得了最好的trr/VF 比和恢复软度。
　　3.2. 超结MOSFET:
　　SLLIMM-nano系列产品所用的N沟道600 V超结MOSFET采用最新的MDMesh DM2快速二极管技术。改进的寿命控制技术使内部体硅二极管的恢复速度更快，软度和稳健性更好。极低的反向恢复电荷(Qrr) 和极缩的反向恢复时间(trr)以及很低的RDS(on)通态电阻，使其非常适用于高能效电桥拓扑转换器。
　　在低功率压缩机驱动电路内，意法半导体最新超结MOSFET与IGBT技术能效比较

　　图1: 垂直布局结构
　　4 功率损耗比较
　　在典型工作温度 Tj = 100 °C范围内，我们从动静态角度对两款器件进行了比较分析。在小电流时，MOSFET SLLIMM-nano(显示线性特性)的正向压降低于IGBT模块典型的类似于二极管的正向压降，如图 2所示，从图中不难看出，在电流低于0.7A(平衡点)时，超结MOSFET的静态特性优于PowerMESH IGBT。
　　另一方面，硬开关转换器在开关导通和关断过程中会发生功率损耗现象，因此，开关损耗也必须考虑在内。开关损耗的主要诱因是续流二极管的反向恢复电荷，在导通过程中导致开关电流升高。
　　尽管超结MOSFET开关管优化过的体硅二极管大幅降低了能耗，但IGBT还是能够利用共同封装的超快速二极管降低导通能耗。
　　在低功率压缩机驱动电路内，意法半导体最新超结MOSFET与IGBT技术能效比较

　　图2：输出静态特性比较
　　5 仿真结果
　　在下列条件下对STGIPQ3H60x (PowerMESH IGBT)和 STIPQ3M60x (超结MOSFET)进行了仿真对比测试：Vbus = 300 V, fsine = 120 Hz, Tamb = 70 °C, 使用一个开关频率8 kHz的内置矢量控制算法(FOC)的PWM调制器，使用一个12 C/W散热器。
　　如图3所示，在这些条件下，仿真实验结果证明了功率损耗比较部分分析的电气特性，突出了在 180 W前超结MOSFET SLLIMM-nano (STIPQ3M60x)的热性能优异，尤其是在较低负载时表现更加优异，40W时总功率损耗降低40%，让家电设备可以达到更高的能效级别。
　　在低功率压缩机驱动电路内，意法半导体最新超结MOSFET与IGBT技术能效比较
　　图3: 仿真测试结果：逆变器功率损耗比较，Tamb = 70°C
　　6 结论和未来研发方向
　　在典型工况的低功率压缩机应用中，PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和超结MOSFET(STIPQ3M60x)的仿真结果表明，在低负载下超结STIPQ3M60x热性能表现更好，40W时功率损耗降低18%，使冰箱等家电能够取得更高的能效等级。

　　为验证这个初步测试结果，我们还将在相同的测试条件下对一个低功率压缩机驱动器进行台架测试，使用开关频率 8 kHz的内置矢量控制算法(FOC)的PWM调制器。在做这个测试过程中，提高输入DC功率(PIn)，同时观察封装温度，因为封装温度是与总功率损耗相关的热性能产生的。
　　参考文献
　　[1] AN4043 - SLLIMM?- nano series small low-loss intelligent molded module
　　[2] AN4840 - SLLIMM?-nano 2nd series small low-loss intelligent molded module
　　[3] C. Parisi, G. Belverde, A. Corsaro, “STMicroelectronics Super-Junction and UltraFAST MOSFET vs IGBT technologies in low power motor drives”, PCIM 2017
　　[4] STGIPQ3H60x datasheet
　　[5] STIPQ3M60x datasheet
　　SLLIMM?, PowerMESH?, UltraFASTmesh?, MDmesh?.本文出现的商标均归各自所有者所有。