產品效能需求增推動半導體業研發新技術
家電廠商不斷地尋求更高的產品效能，以符合日益趨嚴的效能法規，達到降低功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作狀態下的功率損耗。因此，研發高效能開關，特別是在低電流條件下實現高效能，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，電源供應商最新的功率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，特別是在低負載工作狀態下是首選的功率開關解決方案。除了持續的效能需求外，整個變頻系統設計還須要優化尺寸、可靠性和開發工作量。為滿足這些多重目標，像是意法半導體的SLLIMM-nano產品家族便新增兩種不同的功率開關技術(圖1)，分別為：
．IGBT：3/5/8A、600V內置超高速二極體的PowerMESH和溝槽場截止IGBT–STGIPNxH60y/ STGIPQxH60y。
．高耐壓超接合面MOSFET：3/5A、600V內置快速恢復二極體N溝道MDMesh DM2功率MOSFET–STIPQxM60y。
從這兩項技術中選擇哪一項技術須要考慮多個因素，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作狀況中對兩個不同的SLLIMM-nano智慧功率模組進行了詳細的電氣表徵和熱性能比較，這兩款模組分別採用下面兩項開關技術，包括3A PowerMESH IGBT (STGIPQ3H60x)和3A高耐壓超接合面MOSFET(STIPQ3M60x)。
電機控制的主要應用包括基於三個半橋的變壓變頻逆變器。在硬開關換流半橋拓撲內，續流二極體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4kHz到20kHz範圍內，以降低人耳能夠聽見的雜訊。
電機驅動應用和硬開關換流息息相關
要想優化功率開關的低頻性能，首先是開關須具備導通電壓低，其次是低開關損耗。電機驅動器還必須穩健可靠，在保護電路啟動前，能夠長時間耐受電壓電流突變。因為是單極元件，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，其固有本體二極體(Body Diode)表現出與分立二極體相同的物理局限性，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係。在變為導通電壓前會出現一個臨界壓，飽和時在某一個集電極電流之上有一個接近恆定的正向壓降；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體及其尺寸。
最後，與IGBT相比，功率MOSFET的導通電壓損耗低，尤其是在低電流時更為顯著；關斷能耗低，不過，導通能耗較高，而加快本體二極體的反向恢復速度與所用技術製程有關。
電機控制功率開關技術有效降低功耗
為滿足電機控制的需求，半導體業者提供多種功率開關技術。這些功率元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)之間取得平衡，大幅降低了電壓導通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體安裝在同一個封裝內，二極體經過優化處理，取得了較好的trr/VF比和恢復軟度。
另外，半導體業者也將超高耐壓超接合面MOSFET採用最新的MDMesh DM2快速二極體技術，此一技術使內部本體二極體的恢復速度更快，軟度和穩健性更好；而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，非常適用於高效能電橋拓撲轉換器。
IGBT與MOSFET功率損耗比較
在典型工作溫度Tj=100℃範圍內，我們從動靜態角度對兩款元件(IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET)進行了比較分析。在小電流時，MOSFET SLLIMM-nano(顯示線性特性)的正向壓降低於IGBT模組典型的類似於二極體的正向壓降，如圖2所示。從圖中不難看出，在電流低於0.7A(平衡點)時，超高耐壓超接合面MOSFET的靜態特性優於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體的反向恢復電荷，在導通過程中導致開關電流升高。儘管超高耐壓超接合面MOSFET開關管優化過的本體二極體，大幅降低了功耗，但IGBT還是能夠利用共同封裝的超快速二極體降低導通功耗。
模擬結果
在下列條件下對PowerMESH IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET進行了模擬對比測試，Vbus=300V, fsine=120Hz, Tamb=70℃，使用一個開關頻率8kHz的內置向量控制演算法(FOC)的PWM調製器和一個12C/W散熱器。
如圖3所示，在這些條件下，模擬實驗結果顯示功率損耗比較部分分析的電氣特性，也顯示了在180W前，超高耐壓超接合面MOSFET的熱性能優異，尤其是在較低負載時表現更加優異；於40W時總功率損耗降低40%，讓家電設備可以達到更高的效能級別。
超高耐壓超接合面MOSFET滿足低負載應用
在典型工作狀態的低功率壓縮機應用中，PowerMESH IGBT和超高耐壓超接合面MOSFET的模擬結果表明，在低負載下超高耐壓超接合面MOSFET熱性能表現更好，於40W時功率損耗可降低18%，使冰箱等家電能夠取得更高的效能等級。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台架測試，使用開關頻率8kHz的內置向量控制演算法(FOC)的PWM調製器。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所產生。
