IGBT 和 GaN、SiC 和硅 FET 的统一视图和价格-性能分析

在设计电力电子设备时，我们需要评估所有业务需求和技术要求，以优化设计周期时间，从而以更低的成本实现更高性能的系统。这是DiscoverEE及其创始人 Shishir Rai 的目标，他在PCIM期间谈到了当今市场上推广的所有关键氮化镓、碳化硅、硅 MOSFET 和 IGBT 功率器件的统一视图，以及它们的性能与成本分析。

在本文中，电路工作被认为是在 400 V、15 A 和 0.5 的占空比下以 10、50 和 100 kHz 的开关频率提供 3 kW 的功率。本研究考虑了来自超过 35 个制造商的 25,000 多个功率器件，每个器件的功率损耗是根据它们的数据表规格计算得出的。总器件功率损耗目标小于 40 W，计算时考虑了传导损耗、开关损耗和二极管反向恢复损耗，因为它们是器件功率损耗的主要贡献者。它们是通过图 1 中所示的方程估计的。

图 1：电路条件和功率损耗要求

为使分析易于理解，作者假设快速开关外部二极管与器件并联使用，Q RR为 100 nC。本研究忽略了所有其他功率损耗来源。

功率损耗分析

结果在 y 轴上绘制了计算出的功率损耗，在 x 轴上绘制了相应的 VDS (on) /VCE (on)。深蓝色圆圈代表硅 MOSFET 的功率损耗，浅蓝色圆圈代表 IGBT 的功率损耗，绿色方块代表 GaN，红色三角形代表 SiC。图 2 显示了在 10 kHz 操作下的计算结果。

图 2：总功率损耗与 VDS (on) /VCE (on) – 10 kHz

在 10kHz 开关频率下，开关损耗很低，预计传导损耗是功率损耗的主要来源。对于 IGBT，600-V、1.8-VV CE(sat)器件的最低功率损耗峰值为 15.7 W。为了降低功率损耗，MOSFET 从 600V、40mΩ 器件获得了 8.1W。GaN 和 SiC 可以从 650-V、18-mΩ 器件和 700-V、19-mΩ 器件达到约 5W，如图 2 所示。GaN 以 21.8 美元的价格实现了 5W 的最低功率损耗，或 IGBT 成本的 12 倍（本研究中考虑的所有价格都是一个单位的最低经销商价格）。 

“在 10 kHz 时，使用 IGBT，功率损耗只能降低到一定程度，除此之外，还需要 FET 器件，”Rai 说。“MOSFET 提供了很好的价值，但 GaN 和 SiC 器件推动了性能范围，而 GaN 器件实现了最低的损耗，但成本却要高得多。”

图 3：总功率损耗与 VDS (on) /VCE (on) ) – 50 kHz

在图 3 中，显示了 50 kHz 的结果。GaN 可以以 19.5 美元的价格从 650V、41mΩ 器件实现 10.4W 的最低功率损耗。此外，在此分析中，IGBT 是最经济的选择，即使在 50 kHz 时，GaN 器件的功率损耗也最低，但价格昂贵。

Rai 指出，在 50 kHz 时，开关损耗大幅增加。IGBT 是最经济的选择，但具有高损耗。GaN 器件的性能最低，但成本也最高。与 GaN 和硅 MOSFET 相比，碳化硅器件实现了高性能并提供了良好的价值。

图 4：总功率损耗与 VDS (on) /VCE (on) – 100 kHz

在图 4 中，显示了 100 kHz 的结果。对于 IGBT，从 600-V、2.1-V VCE (sat)器件实现的最低功率损耗为 28.8 W。GaN FET 实现的最低功率损耗为 13.7 W，来自价格为 11 美元的 650-V、90-mΩ 器件，或者是类似功率损耗的 IGBT 成本的 6 倍。

在 100 kHz 运行时，IGBT 仍然是最经济的选择，但具有高损耗。GaN 器件以极低的价格实现最低的功率损耗，并为高频操作提供了极具吸引力的价值。

图 5：最低功耗结果汇总

在图 5 中，显示了我们观察到的硅 IGBT、MOSFET、SiC 和 GaN 的最低功率损耗结果汇总。

与 GaN 相比，碳化硅器件的性价比优势减弱，因为开关频率增加到 100 kHz 及以上。研究表明，器件功率损耗随开关频率显着增加，必须有令人信服的理由将系统切换到更高的工作频率。值得注意的是，IGBT 器件在 10 kHz 开关时的功率损耗与最佳 GaN 器件在 100 kHz 开关时的功率损耗相同，但 IGBT 的成本不到 GaN 器件的五分之一。

随着不同材料和设备类型的性价比趋势不断发展，硬件工程师需要一个标准化的功耗评估工具来考虑整个市场的所有类型的设备，以便做出最佳决策。

审核编辑 黄昊宇