IGBT如何改善寄生电容，适合高频操作

‌IGBT与Si MOSFET相比，主要区别在于它们的物理结构和性能特点。‌ IGBT结合了MOSFET和双极晶体管的优点，具有高输入阻抗和高开关速度(虽然比MOSFET慢，但比双极晶体管快)，即使在高压条件下也能实现低导通电阻。而Si MOSFET由于栅极隔离，具有高输入阻抗和快速开关的特点，但在高压下的导通电阻较高‌1。

在导通特性方面，IGBT的导通损耗由器件导通时的压降造成，其参数为Vce(sat)，随温度变化较小。而SiC MOSFET的导通特性表现得更像一个电阻输出特性，具有更小的导通损耗，特别是在电流较小的情况下‌2。

在开关特性方面，Si MOSFET的开关速度比IGBT更快，因为它属于电压控制器件，栅极电容较小，能够更快地从导通状态和关断状态转换。IGBT由于内部存在双极晶体管结构，在开关过程中需要克服内部晶体管基极区存储的电荷，导致开关速度较慢‌23。

在应用场景方面，IGBT适用于高电压应用，因为它在高电压条件下能实现低导通电阻。而Si MOSFET适用于低电压应用，因其具有快速开关的特点。此外，SiC MOSFET由于其高工作频率和低导通阻抗，适用于高频和高效率的应用场景，如新能源汽车的牵引逆变器‌

与 Si MOSFET 相比，IGBT 在同等材料厚度下可提供更高的阻断电压，因此非常适合高压应用。IGBT 开关是 DC/AC 逆变器和图腾柱 PFC 慢桥臂的理想选择。

图1：场截止 VII 的导通损耗(VCE=600V 时)

场截止 VII、IGBT、1200V

全新 1200 V 沟槽场截止 VII IGBT 系列

快速开关型，适合高开关频率应用

改善了寄生电容，适合高频操作

优化了二极管，实现低 VF 和软度

IGBT FGY4L140T120SWD

FS7 系列 1200V、140A IGBT

TO247-4 封装具有较低的 Eon，可支持更高的开关频率和功率

高压超级结 (SJ) MOSFET

硅高压技术

成本更低，在功率要求较低的应用中可替代 SiC

可在各种高压应用(升压 PFC、DC-DC 转换和 DC-AC 级)中用作开关，在较高功率下损耗较大

安森美 SUPERFET V (600V) 和 SUPERFET III (650V) 系列的 FAST 版本非常适合快速切换应用

提供多种封装

MOSFET NTHL041N60S5H

单 N 沟道，SUPERFET V，600V，57A，41mΩ

TO-247 封装

PD 高达 329W

Rg @1MHz 0.6Ω

MOSFET dV/dt 120 V/ns

图2：TO247-3 和 TO247-4 封装的场截止 VII 开关损耗比较

图3：NTHL041N605SH 与竞争产品的总开关损耗比较

为功率开关搭配栅极驱动器

功率 MOSFET 是一种电压控制器件，用作开关元件。为了操作 MOSFET，通常须将一个电压施加于栅极(相对于器件的源极或发射极)。使用专用驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。

之所以需要使用栅极驱动器，是因为控制电路在低电压下工作，无法提供足够的功率来快速安全地为 MOSFET 栅极充电。图 9 显示了控制各类开关所需的电压水平。栅极驱动器用于导通和关断功率器件。

图4：MOSFET 和 IGBT 的驱动

在图4中，可以看到 SiC MOSFET 驱动的一个有趣特性：负栅极偏压电源。为栅极提供负电压有两个重要原因。

如果关断 MOSFET，在关断序列结束时，VGS(栅源电压)通常为 0V，可能会出现过度振铃。这是由非常高的 dV/dt 引起的，并且会因寄生电容而加剧，产生感应冲击。这种感应冲击可能会在 MOSFET 应该已经关断的时候造成其意外导通，导致半桥内电路短路并损坏 MOSFET。如果将 VGS 降低至负电压，则会产生额外的裕量，发生感应冲击的可能性就会减小。

此外，将关断电压降低至 0V 以下可以减少开关损耗。如图 10 所示，当驱动安森美的第二代“M3S”系列 SiC MOSFET 时，开关损耗可减少多达 100uJ，从而使 EOFF 损耗减少 25%。更多信息可参阅 安森美 EliteSiC 第二代 1200V SiC MOSFET M3S 系列应用手册。

图 5：负栅极偏压与开关损耗的关系

SiC 栅极驱动器产品组合如表3 所示，列出了产品的最大工作电压、拉/灌电流和通道数。隔离式 IGBT 栅极驱动器产品组合及其特性、额定电压和拉/灌电流如表4所示。

表3：安森美 SiC 栅极驱动器产品组合

表4：安森美 IGBT 栅极驱动器产品组合

栅极驱动器 NCD57080

隔离式高电流栅极驱动器

高电流峰值输出 (6.5 A/6.5 A)

欠压锁定，有源米勒箝位

3.75 kV 电气隔离，CMTI≥100 V/ns

传播延迟典型值 60 ns

单通道

SOIC-8 封装

4.5 A/9 A 峰值拉/灌电流

30V 输出摆幅

36 ns 传播延迟，延迟匹配最大值 5 ns

3.75 kV 电气隔离，CMTI≥200 V/ns

单通道

集成负偏压产生功能 - 简化驱动并节省系统成本

SOIC-8 封装

通常采用稳压器和 LDO 来提供稳定的低电压。在要求电路简单、低成本和低工作电流的设计中，LDO 是首选。虽然开关模式稳压器能提高效率、降低功耗，但在大多数情况下，其设计更为复杂，而且更昂贵。

NCP730 是一款 CMOS LDO 稳压器，具有超低静态电流(典型值 1 μA)、快速瞬态响应和宽输入范围 (2.7 V – 38 V)。提供固定和可调电压两种版本。

对于 UPS 及任何其他电源应用，确保低压系统安全运行非常重要。在具有裸露连接器的系统中，包括对工业 UPS 至关重要的 CAN 总线接口，可能会发生 ESD。在安装和维护期间，此类接口可能会暴露出来。这些模块上可能会积聚过多的电荷，当将电缆连接到带 CAN 收发器的控制模块时，过多的电荷可能会从电缆流入模块，然后流入 CAN 收发器，最大放电电压可达 30 kV，可能会损坏系统。稳健的系统级保护是安森美产品具有的突出特性之一。

NUP2105L 旨在保护高速和容错网络中的 CAN 收发器，使其免受 ESD 和其他有害瞬态电压事件的影响。它为系统设计人员提供了一种低成本选择，可提高系统可靠性并满足严格的 EMI 要求，包括 IEC 61000-4-2、4 级、30 kV。