在低功率壓縮機驅動電路內，意法半導體最新超結MOSFET與IGBT技術能效比較

　　摘要

　　電機驅動市場特別是家電市場對系統的能效、尺寸和穩健性的要求越來越高。

　　為滿足市場需求，意法半導體針對不同的工況提供多種功率開關技術，例如， IGBT和最新的超結功率MOSFET。

　　本文在實際工況下的一個低功耗電機驅動電路(例如，小功率冰箱壓縮機)內測試了基于這兩種功率技術的SLLIMM?-nano(小型低損耗智能模壓模塊)，從電熱性能兩個方面對這兩項技術進行了詳細的分析和比較。

　　1前言

　　家電廠商不斷地尋求更高的產品能效，以符合日益趨嚴的能效法規，達到降低能耗和節省電費的目的。更具體地講，主要需求是降低設備在低負載穩態以及滿載工況下的功率損耗。因此，研發高能效開關，特別是在低電流條件下實現高能效，是達到這個市場需求的關鍵要素，同時也是半導體廠商研發新技術的動力。

　　因為過去幾年技術改良取得較大進步，意法半導體最新的功率MOSFET技術可以成功地替代變頻電機控制器的IGBT開關，而且在很多應用領域特別是在低負載工況下是首選的功率開關解決方案。

　　除了對一般能效的持續需求外，整個變頻系統設計還需要優化尺寸、可靠性和開發工作量。為滿足這些多重目標，在成功推出SLLIMM系列后，意法半導體的SLLIMM-nano產品家族新增兩種不同的功率開關技術：

　　· IGBT: IGBT: 3/5/8 A、600 V內置超高速二極管的PowerMESH? 和溝槽場截止IGBT - STGIPNxH60y, STGIPQxH60y

　　· 超結MOSFET: 3/5 A、600V 內置快速恢復二極管N溝道 MDMesh? DM2 功率MOSFET - STIPQxM60y

　　從這兩項技術中選擇哪一項技術需要考慮多個因素，例如，功率大小、PWM開關頻率、工作溫度、控制策略。

　　本文在小功率壓縮機典型工況中對兩個不同的SLLIMM-nano智能功率模塊進行了詳細的電氣表征和熱性能比較，這兩款模塊分別采用下面兩項開關技術：3 A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和 3 A 超結MOSFET(STIPQ3M60x)。

　　2電機驅動應用和硬開關換流

　　電機控制的主要應用包括基于三個半橋的變壓變頻逆變器。在硬開關換流半橋拓撲內，續流二極管必須具有低正向偏壓和快速反向恢復(低 trr 和 Qrr)的特性。電機驅動的典型開關頻率是在4 kHz 到 20 kHz范圍內，以降低人耳能夠聽見的噪聲。要想優化功率開關的低頻性能，首先是開關需具有低通態損耗，其次是低開關損耗。電機驅動器還必須穩健可靠，在保護電路激活前，能夠長時間耐受電壓電流突變。

　　因為是單極器件，無少數載流子，功率MOSFET的優點是正向偏壓(VDS(on))隨漏極電流線性降低，關斷換流快。另一方面，其固有體硅二極管表現出與分立二極管相同的物理局限性，這是MOSFET結構所致。

　　在IGBT內，電壓降(VCE(sat))與集電極電流不是線性關系。在變為通態前會出現一個閾壓，飽和時在某一個集電極電流之上有一個接近恒定的正向壓降。為取得預定的反向恢復能耗和正向偏壓，可以選擇共同封裝的二極管及其尺寸。

　　最后，與IGBT相比，功率MOSFET的通態損耗低，尤其是在低電流時更為顯著;關斷能耗低，但導通能耗較高。加快體硅二極管的反向恢復速度與所用技術工藝有關。

　　3 意法半導體的電機控制功率開關技術

　　為滿足電機控制的需求，意法半導體以SLLIMM-nano系列產品形式提供多種功率開關技術。

　　3.1. 內置續流二極管的IGBT

　　SLLIMM-nano系列產品所用的600 V IGBT采用意法半導體獨有的先進的PowerMESH(STGIPQ3H60x) 和溝槽場截止制造工藝 (STGIPQ5C60x, STGIPQ8C60x)。

　　這些功率器件提供典型的電機控制開關頻率，在壓降(VCE(sat))和開關能耗(Eon和Eoff)之間取得完美平衡，因此最大限度降低了通態和開關兩大損耗源產生的損耗。

　　IGBT和Turbo 2超高速高壓續流二極管安裝在同一個封裝內，二極管經過優調處理，取得了最好的trr/VF 比和恢復軟度。

　　3.2. 超結MOSFET:

　　SLLIMM-nano系列產品所用的N溝道600 V超結MOSFET采用最新的MDMesh DM2快速二極管技術。改進的壽命控制技術使內部體硅二極管的恢復速度更快，軟度和穩健性更好。極低的反向恢復電荷(Qrr) 和極縮的反向恢復時間(trr)以及很低的RDS(on)通態電阻，使其非常適用于高能效電橋拓撲轉換器。

　　圖1: 垂直布局結構

     4 功率損耗比較

　　在典型工作溫度 Tj = 100 °C范圍內，我們從動靜態角度對兩款器件進行了比較分析。在小電流時，MOSFET SLLIMM-nano(顯示線性特性)的正向壓降低于IGBT模塊典型的類似于二極管的正向壓降，如圖 2所示，從圖中不難看出，在電流低于0.7A(平衡點)時，超結MOSFET的靜態特性優于PowerMESH IGBT。

　　另一方面，硬開關轉換器在開關導通和關斷過程中會發生功率損耗現象，因此，開關損耗也必須考慮在內。開關損耗的主要誘因是續流二極管的反向恢復電荷，在導通過程中導致開關電流升高。

　　盡管超結MOSFET開關管優化過的體硅二極管大幅降低了能耗，但IGBT還是能夠利用共同封裝的超快速二極管降低導通能耗。

圖2：輸出靜態特性比較

　　5 仿真結果

　　在下列條件下對STGIPQ3H60x (PowerMESH IGBT)和 STIPQ3M60x (超結MOSFET)進行了仿真對比測試：Vbus = 300 V, fsine = 120 Hz, Tamb = 70 °C, 使用一個開關頻率8 kHz的內置矢量控制算法(FOC)的PWM調制器，使用一個12 C/W散熱器。

　　如圖3所示，在這些條件下，仿真實驗結果證明了功率損耗比較部分分析的電氣特性，突出了在 180 W前超結MOSFET SLLIMM-nano (STIPQ3M60x)的熱性能優異，尤其是在較低負載時表現更加優異，40W時總功率損耗降低40%，讓家電設備可以達到更高的能效級別。

圖3: 仿真測試結果：逆變器功率損耗比較，Tamb = 70°C

　　6 結論和未來研發方向

　　在典型工況的低功率壓縮機應用中，PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和超結MOSFET(STIPQ3M60x)的仿真結果表明，在低負載下超結STIPQ3M60x熱性能表現更好，40W時功率損耗降低18%，使冰箱等家電能夠取得更高的能效等級。

　　為驗證這個初步測試結果，我們還將在相同的測試條件下對一個低功率壓縮機驅動器進行臺架測試，使用開關頻率 8 kHz的內置矢量控制算法(FOC)的PWM調制器。在做這個測試過程中，提高輸入DC功率(PIn)，同時觀察封裝溫度，因為封裝溫度是與總功率損耗相關的熱性能產生的。

　　參考文獻

　　[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?.本文出現的商標均歸各自所有者所有。