用于反激变换器中BIMOSFET的相关性能

1 引言

反激变换器一个典型的应用场合是在逆变器中给IGBT的驱动提供辅助电源。此时反激变换器的开关管需要有比较高的击穿电压和快的开关速度。为了降低开关损耗，开通和关段的能量也要小。BIMOSFET的一个主要的优点就是它的开通损耗小，另外它的导通损耗也比较小。把MOSFET和BIMOSFET对比来看，BIMOSFET的损耗大概要小35%左右。

2 反激工作

反激变换器是最简单的变换器之一。其电路中只包括一个开关管，一个变压器，一个二极管和两个电容，如图一所示。变换器的能量储存在铁心的气隙中。开关管导通时，原边电流斜线上升，磁芯储能，关断时通过二极管传送到负载端。反激变换器的最大功率可以做到300W。

这个电路的优点是具有非常宽的输入输出电压比，并且可以增加辅助的线圈实现多路输出。另外，它能很好的实现原边和副边的电气隔离。它的缺点是开关管的电压应力比较高，变压器气隙产生的RFI辐射比较高。反激变换器不允许空载或者开环工作，否则输出电压将会超过允许的限度。

图1 反激变换器

3 反激变换器的应用

反激变换器一个主要的应用场合是在逆变器中给IGBT的驱动提供辅助电源。这种场合下的所有需要都可以通过反激变换器来实现。

图2中阴影部分所示的是逆变器的驱动电路，这里还包括一个启动电路。其辅助电源可以由非常少的器件构成，成本廉价。

图2　逆变器

由于变换器的输入电压就是直流母线电压，因此电压的变化范围比较宽。在母线电容充电的过程中，辅助电源必须在直流母线电压非常低的条件下工作，例如还有电机的制动状态。当直流母线电压上升到750V时，输出电压可以通过变化开关管的占空比很容易的调节。

所有的隔离直流输出都可以通过增加独立的辅助线圈来实现。比如5V给微处理器供电，正负15V给电流传感器，正15V给下面三个IGBT驱动，另外三个独立的正15V给上面的IGBT作驱动。

反激变换器作为逆变器驱动时重要的一点是需要高的电压应力。在反激变换器中，开关管的最高电压应力是输入电压的两倍。因此，开关管的最小耐压应该2×Vin。作为电机控制的标准逆变器其电源为400V，电动机在制动状态时直流母线电压高达750V。因此只要需要耐压值为1600V的开关管。

反激变换器开关频率通常取50k到100KHz。为减小开关损耗，开关时所需要的能量要尽量低。为了做到这一点，必须要求开关管的开关速度快。避免开通损耗一个比较常用的窍门是直到输出二极管电流降到零后(断续模式)再开通晶体管。这就需要在下一个周期开始之前，留出一定的死区时间。这种方法可以减小开关管和二极管的换向损耗，从而可以提高开关频率，减小变压器体积。

4 BIMOSFET芯片技术

标准高压IGBT对于反激变换器来说速度太慢。这种新型的高压BIMOSFET完全可以满足需要。

无论是MOSFETS说是IGBTS，其传统的结构通常是DMOS(双扩散金属氧化硅)，就是在一层薄且低阻抗的硅衬底上生成一个硅外延层，如图3.a所示。

但是，当电压超过1200V时，承受阻断电压的N-硅层更倾向于图3.b所示无外延层的结构。这种结构也被称为“均匀基区结构”或是NPT。

参照图3.b，保留了IGBT中的pnpn结构，但是需要注意的是这里引入了一个N+集电极-短路模式，目的是减小PNP晶体管的电流增益，改善其关断性能。但是，在发射极和集电极之间有一个“自由”的寄生二极管，这也就是BIMOSFET首字母缩略词的由来。BIMOSFET的关断由集电极来控制。为了优化二极管的反向导通，不至于产生换向时带来的dv/dt问题，少数载流子的寿命应该通过辐照的方法降低下来。

有两种类型的BIMOSFET，一种称为标准型，类似于IGBT，其控制电压为VGE=15/0V;另一种“G”型，其门极电压和MOSFET一样，下节我们将来介绍它。此外，两者的静态和动态特性都是一样的。

图3

5 驱动要求

a) 标准BIMOSFET

实验表明门极电阻和门极电压对损耗的影响很大。我们发现通常门极电阻小于30欧姆时，驱动波形会出现振荡;而当电阻大于50欧姆时又会增加导通损耗。因此IXBH9N160 BIMOSFET最佳工作条件是驱动电压为15V，门极电阻在30-50欧姆之间。为了获得全导通，15V的门极电压是必要的，这是因为6V的门槛电压和MOSFET比较来看相对比较高。

b)　G型BIMOSFET

G型BIMOSFET的门槛电压通常为4V左右，略低于标准型。因此门极驱动电压可以为10V。BIMOSFET在反激变换器中可以区带1000V的MOSFET。由于其阻断电压高达1400/1600V，因此可以减小甚至省略吸收电容。不过驱动电压至少应该为15V，从而减小开通损耗。

G型表示时末尾字母是G，目前第一批生产的器件是IXBF9N140G和IXBF9N160G。

6 静态特性

通过对比输出曲线，我们可以看到MOSFET的线性特性(图4a)和BIMOSFET的双极性(图4b)。

图4a告诉我们，当驱动电压仅为6V时，MOSFET可以流过2A的电流。对比图4b中BIMOSFET的输出特性，我们看到当驱动电压为7V时，没有电流流过。这就是BIMOSFET最大的区别。当电流低于5A时，我们至少需要11V的驱动电压来开通它。在电流峰值比较高的场合，我们需要15V的驱动电压。导通时的损耗也不尽相同。驱动电压15V，流过的电流为2A时，MOSFET有18V的压降，而BIMOSFET只有4V的压降，这就减小了4.5倍的损耗。此外BIMOSFET的电流定额也比较高，普通MOSFET只能流过3A，而BIMOSFET可以达到10A以上。

图四　输出特性

7 开关特性

为了量化MOSFET和BIMOSFET的性能，我们作了一系列的对比试验。图5a和图5b给出了一个完整开关周期的波形，并对损耗进行了计算。同时还测量了漏极电流，漏极电压，和门极电压。功率耗散和全部的能量也通过这些数据计算出来。

测试装置是一个双脉冲测试器，当MOSFET导通时，续流二极管依旧开通。因此开通的波形会受到二极管反向恢复的一点影响。但由于二极管对MOSFET和BIMOSFET的影响是一样的，所以二者仍然可以比较。

图五　开关波形

条件如下所示：

关断电流幅值=4A

电压=800V

门极驱动=15V，40欧姆

结温=125摄氏度

t0到t1是导通状态的结束。在这个状态结束时，我们可以看到能量曲线有所上升(实线所示)，这是由MOSFET导通时比较高的损耗造成的。

下个阶段(t1到t2)是关断状态。虚线所示两者基本没有什么区被，BIMOSFET略微少一点。

关断结束后(t2到t3)，BIMOSFET不存在拖尾电流。能量曲线有轻微上升，因为我们得到的结果和MOSFET相同，而MOSFET是没有拖尾电流的，所以关断状态时的测量可能会存在一点误差。

下个阶段是开通阶段，从t3到t4。我们可以看到开通时会产生比较大的损耗。上面的实线表示电流的尖峰，这是由二极管的换向造成的。MOSFET的开通时间要长于BIMOSFET。MOSFET的峰值功率为250nS,4KW;而BIMOSFET的峰值功率为130nS，5KW。MOSFET的总开关损耗大约为0.5mJ，而BIMOSFET仅为0.4mJ，大约减小了20%。

最后的500nS，从t4到t5，是导通状态的开始阶段。MOSFET的能量曲线由于较高的通态电阻而有所上升。BIMOSFET的曲线比较平缓，因为它的饱和压降比较低。

8 结语

BIMOSFET的优点首先在于它的低开通损耗，其次是它的导通损耗也比较低。到t5时刻，每个周期的总能量消耗，MOSFET为0.95mJ，而BIMOSFET仅为0.62mJ。BIMOSFET的总损耗大约减小了35%。