最新半导体器件技术解析

从4.5.7节关于系统成本的分析可知，半导体器件的选择主要取决于系统电压等级和功率大小。汽车中引入的大功率电气负载，如电磁气门驱动、电动风扇和泵、电动辅助转向和刹车、汽车底盘的主动悬挂和主动侧倾控制，功率都在几千瓦级^{［43，44］}。对于B-ISA和C-ISA的代表性功率等级3kW到10kW，还无法明确证明究竟该选择功率MOS管还是IGBT。参考文献^［45］中，深入分析了3kW、100V和50V交流电动机控制器的成本最小化问题，在对比各种方案的过程中，以输出功率和损耗是相等为出发点。比较中，50V和100V直流情况下分别选择100V和200V功率MOS管，IGBT由于最低电压等级就是250V的，所以对50V和100V都选择了250V的IGBT。经过对比发现，对于100V系统，选择IGBT所需成本大约是选择MOS管的一半，对于50V系统（这时在汽车42V系统提出前几年进行的），IGBT的成本优势就没有了，其成本主要和负载状况以及开关频率相关。

对于这样的低电压逆变器，在选择MOS管还是IGBT方面可以得到以下几条结论。首先注意，在选择IGBT的逆变器中，必需选用相同容量的续流二极管。其次，假设每种逆变器都是通过静止三相坐标下的滞环控制来控制永磁交流电机的三相电流。另外，为得到相同的转矩，50V系统的相电流比100V系统增大一倍，相应的滞环宽度也增加一倍。基于前面的设定，可以得到如下结论：

1）由于50V系统电流大，尽管MOS管的导通电阻减小了，但和100V系统的导通损耗基本相等。由于电流大时MOS开关速度减慢，所以开关损耗增大一倍。整个逆变器的损耗增加大概20％。

2）与MOS管相反，IGBT的并联对减小导通损耗几乎无效，因此即使并联8个IGBT，其导通损耗还基本接近MOS管的2倍。

3）由于电流大且电流调节允许偏差比较大，所以逆变器的开关频率一般较低（2.4kHz～12kHz），因此IGBT快速开关时开关损耗小的优势在此无法体现。如果开关频率达到5kHz以上，IGBT将表现出比MOS管小的开关损耗。

4）对于负载电流小的情况，MOS管的开关损耗比导通损耗大得多，所以如果用两个IGBT并联，就能得到比MOS管更低的整体损耗。

5）8个250V5号IGBT和6个6号MOS管拥有相同的结面积，所以二者工作时温升相同（即损耗相同）。在大电流负载时，如果选择8个IGBT并联，其成本大约是MOS管的1.4倍，如果选择6个IGBT，则二者成本基本相当。

上述区别有些的成因在于MOS管的固有体二极管的反向恢复特性比较差，因此其所能具有的开关频率有所降低，特别是当一个MOS管打开而桥臂上互补开关管是二极管导通时，二极管的反向恢复特性影响更大。IGBT中使用高质量的续流二极管，所以其快速开关特性可以不受影响。最后需要注意的是，在低负载电流时，MOS管由于没有开通电压所以导通损耗非常低，特别重要的是，MOS的这种特性可以使它胜任同步整流的工作方式。

如果比较是要求系统损耗相等，则需要2.5个5号IGBT和6个6号MOS管。这样，在构成100V系统时，采用IGBT的成本只有采用MOS管成本的50％。另外比较时，开关频率的选择依据应该是二者具有的电压冲击幅值、电压变化率和电流变化率应该基本相当。