大部分輸出功率為250~4000W的AC/DC電源的開關頻率都在50~125kHz之間。這些電源通常采用連續導通模式(CCM)的升壓PFC(功率因數校正)電路,開關頻率低于100kHz的CCMPFC是最早使用IGBT的電路。在開關電源設計中使用MOSFET為開關功率器件,這不是因為它是最好的技術方案,而是因為它是伴隨開關模式電源設計而成長的開關功率器件。典型的高壓MOSFET的電流密度一般為10~20A/cm2,它的主要優點在于切換損耗相對而言比較低,主要缺點是導通狀態損耗高和電流密度低。IGBT的電流密度大約是100A/cm2,因此在相同的電路中,尺寸為MOSFET 1/5的IGBT芯片便可達到與MOSFET同樣的功效。在電流不同時,IGBT的導通壓降變化不大。
在250~4000W功率范圍的電源上,快速IGBT顯示了強大的優勢。例如,在冗余陣列磁片機服務器(RAID)應用中,一只Fairchild的SMPSIGBT功率器件可以完成3只MOSFET功率器件的工作,而且省掉了MOSFET所需的外部驅動器,使器件的成本得以降低,而減少功率器件的數量對服務器的平均無故障工作時間(MTBF)是有利的。
設計電源的一個常用方法是擴展現有的平臺,以達到較高的功率要求。利用新的Faster IGBT,可以實現更高的功率密度,同時降低物料和裝配的費用。在這方面經常遇到的問題是柵極電壓,因為大多數MOSFET設計時使用10V的柵極驅動器,而IGBT設計的柵極工作電壓是12~15V,新的Fairchild SMPSIGBT功率器件已考慮了柵極驅動電壓,將柵極驅動電壓的要求降低到與MOSFET一樣。
另一個問題是,在某些設計中最初的系統設計采用若干只MOSFET功率器件并聯工作,這樣就能在較大的面積上把開關產生的熱量散發出去。而采用IGBT來完成與較大的MOSFET相同的功能,散熱途徑將受到影響(當采用并聯MOSFET時,封裝和散熱片之間的接觸面是最大的影響因素)。為了在這些場合利用IGBT的優勢,在熱設計中需要重新考慮散熱途徑。隨著軟開關的應用,高壓半導體的主要功率損失變為導通損耗,對于功率范圍較高的電源,IGBT因其導通損耗低而取得了很好的表現。隨著結溫升高,IGBT的導通壓降USAT往往降低,而關斷損耗往往增加。MOSFFT則與之相反,隨著結溫升高,導通電阻RDS(on)增加,而關斷損耗則保持不變。這表示在許多情況下,當系統溫度上升時,IGBT溫度上升的速度比MOSFET慢,因而與采用MOSFET的系統相比,使用IGBT的系統的效率變化較小。
IGBT通常配有一個反向并聯二極管,其作用與MOSFET的體內二極管一樣。而具有快速寄生體內二極管的高壓MOSFET,它的反向恢復時間為250ns。這種二極管的性能比以前的體內二極管有所改進,而IGBT的反向并聯二極管是性能更好的二極管,它的反向恢復時間范圍為25ns。在需要反向并聯二極管的應用中,采用IGBT是一個較好的方案。
現在越來越多的開關電源采用IGBT,同時也要求進一步降低它們的導通壓降,這樣可以擴大IGBT在電源技術中的應用范圍。由于采用更好的晶圓處理和外延控制技術,IGBT的性能將更加完善。隨著IGBT在電源產品中的應用增多,速度更快的IGBT的成本將下降。而且,由于目前IGBT的成本比同等的MOSFET略低一些,這將加速IGBT的推廣應用。