الترانزستورات السلطة MOSFET و IGBT ، الاختلافات وميزات تطبيقها

يجري باستمرار تحسين التقنيات في مجال إلكترونيات الطاقة: التبديلات تصبح الحالة الصلبة، يتم استبدال الترانزستورات ثنائية القطب والثايرستور بشكل متزايد على نطاق واسع ب الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، ويتم تطوير مواد جديدة وتطبيقها في المكثفات ، إلخ. - التطور التكنولوجي النشط مرئي بوضوح في كل مكان ، والذي لا يتوقف لمدة عام. ما هو السبب في ذلك؟

من الواضح أن هذا يرجع إلى حقيقة أنه في مرحلة ما لا يكون المصنعون قادرين على تلبية احتياجات المستهلكين من قدرات وجودة المعدات الإلكترونية الخاصة بالطاقة: إن شرارات الترحيل واتصالات الاحتراق ، تتطلب الترانزستورات ثنائية القطب الكثير من القوة للتحكم ، ووحدات الطاقة غير مقبولة مساحة كبيرة ، إلخ. يتنافس المنتجون فيما بينهم - من سيكون أول من يقدم أفضل بديل ...؟

لذلك ، ظهرت الترانزستورات الحقل MOSFET ، بفضل التحكم في تدفق ناقلات الشحنة أصبح ممكنا ليس عن طريق تغيير التيار الأساسي ، كما هو الحال في أسلاف القطبين، ومن خلال المجال الكهربائي للمصراع ، في الواقع - تطبق ببساطة على الجهد مصراع.

نتيجة لذلك ، بحلول بداية الألفية الجديدة ، كانت حصة أجهزة الطاقة على MOSFET و IGBT حوالي 30 ٪ ، في حين بقيت الترانزستورات ثنائية القطب في إلكترونيات الطاقة أقل من 20 ٪. على مدى السنوات ال 15 الماضية كان هناك انفراج أكثر أهمية ، و الترانزستورات الكلاسيكية القطبين أعطى تماما تقريبا الطريق إلى MOSFET و IGBT في قطاع مفاتيح أشباه الموصلات السلطة التي تسيطر عليها.

التصميم ، على سبيل المثال ، محول الطاقة عالية التردد، يختار المطور بالفعل بين MOSFET و IGBT - كلاهما يتحكم فيهما الجهد المطبق على البوابة ، وليس بواسطة التيار ، مثل الترانزستورات ثنائية القطب ، ودارات التحكم أبسط نتيجة لذلك. دعونا ، مع ذلك ، النظر في ميزات هذه الترانزستورات جدا التي تسيطر عليها بوابة الجهد.

MOSFET أو IGBT

في IGBT (ترانزستور ثنائي القطب IGBT مع بوابة معزولة) في الحالة المفتوحة ، يمر تيار التشغيل عبر مفترق p-n ، وفي MOSFET - من خلال قناة مصدر الصرف ، والتي لها طابع مقاوم. لذلك تختلف احتمالات تبديد الطاقة بالنسبة لهذه الأجهزة ، والخسائر مختلفة: بالنسبة إلى عامل المجال MOSFET ، ستكون القدرة المشتتة متناسبة مع مربع التيار من خلال القناة ومقاومة القناة ، بينما بالنسبة إلى IGBT ، ستكون الطاقة المتباعدة متناسبة مع جهد تشبع باعث المجمع. في الدرجة الأولى.

إذا كنا بحاجة إلى تقليل الخسائر الرئيسية ، فسوف نحتاج إلى اختيار MOSFET بمقاومة أقل للقناة ، لكن لا تنسَ أنه مع زيادة درجة حرارة أشباه الموصلات ستزداد هذه المقاومة وستزداد خسائر التدفئة. ولكن مع IGBT ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، ينخفض ​​جهد التشبع في تقاطع pn ، على العكس من ذلك ، مما يعني انخفاض خسائر التدفئة.

ولكن ليس كل شيء أساسي كما قد يبدو على مرأى شخص عديم الخبرة في مجال إلكترونيات الطاقة. تختلف آليات تحديد الخسارة في IGBT و MOSFET بشكل أساسي.

كما تعلمون ، في ترانزستور MOSFET ، تتسبب مقاومة القناة في الحالة الموصلة في فقد بعض الطاقة ، والتي ، وفقًا للإحصاءات ، أعلى تقريبًا 4 مرات من الطاقة المنفقة على التحكم في البوابة.

مع IGBT ، يكون الموقف معاكسًا تمامًا: الخسائر الناتجة عن الانتقال أقل ، لكن تكاليف الطاقة للإدارة أكبر. نحن نتحدث عن ترددات بتردد 60 كيلو هرتز ، وكلما زاد التردد ، زاد فقدان التحكم في الغالق ، خاصة فيما يتعلق بـ IGBT.

الشيء هو أن ناقلات الأقليات في MOSFET لا تعيد تجميعها ، كما هو الحال في IGBT ، والذي يتضمن ترانزستور تأثير الحقل MOSFET الذي يحدد سرعة الفتح ، ولكن حيث لا يمكن الوصول إلى القاعدة بشكل مباشر ، ويستحيل تسريع العملية باستخدام الدوائر الخارجية.ونتيجة لذلك ، فإن الخصائص الديناميكية لـ IGBT محدودة ، والحد الأقصى لتردد التشغيل محدود.

من خلال زيادة معامل النقل وتقليل جهد التشبع ، دعنا نقول إننا نخفض الخسائر الثابتة ، ولكن بعد ذلك سنزيد الخسائر أثناء التبديل. لهذا السبب ، يشير مصنعو IGBTs في الوثائق الخاصة بأجهزتهم إلى التردد الأمثل وسرعة التبديل القصوى.

هناك عيب مع MOSFET. يتميز الصمام الثنائي الداخلي الخاص به بفترة زمنية محدودة للاستعادة العكسية ، والتي تتجاوز بطريقة أو بأخرى خاصية وقت الاسترداد الخاصة بثنائيات IGBT الداخلية المضادة الموازية. نتيجة لذلك ، لدينا تبديل الخسائر والحمولة الزائدة الحالية من MOSFET في دوائر نصف جسر.

الآن مباشرة حول الحرارة تبدد. مساحة هيكل أشباه الموصلات IGBT أكبر من مساحة MOSFET ، وبالتالي فإن الطاقة المتباينة لـ IGBT أكبر ، ومع ذلك ، تزداد درجة حرارة الانتقال بشكل مكثف أثناء تشغيل المفتاح ، لذلك ، من المهم اختيار المبرد للمفتاح بشكل صحيح ، مع حساب التدفق الحراري بشكل صحيح ، مع مراعاة المقاومة الحرارية لجميع الحدود التجمع.

تتميز MOSFETs أيضًا بخسائر تدفئة أعلى في الطاقة العالية ، وهو ما يتجاوز بكثير خسارة مصراع IGBT. بسعات تتجاوز 300-500 واط وعلى ترددات في المنطقة من 20 إلى 30 كيلو هرتز ، سوف تسود الترانزستورات IGBT.

بشكل عام ، لكل مهمة يختارون نوع المفتاح الخاص بهم ، وهناك بعض المشاهدات النموذجية في هذا الجانب. أجهزة MOSFET مناسبة للتشغيل عند ترددات أعلى من kHz 20 مع فولتية إمداد تصل إلى 300 فولت - شواحن, تحويل امدادات الطاقة، العاكسون المدمجة منخفضة الطاقة ، وما إلى ذلك - يتم تجميع الغالبية العظمى منهم اليوم في MOSFET.

تعمل IGBTs جيدًا عند الترددات التي تصل إلى 20 كيلو هرتز مع الفولتية التي تصل إلى 1000 فولت أو أكثر - محولات التردد ، UPS ، وما إلى ذلك - هذه هي فئة التردد المنخفض من معدات الطاقة لأجهزة الترانزستورات IGBT.

في مكانه المتوسط ​​- من 300 إلى 1000 فولت ، عند ترددات بتردد 10 كيلو هرتز - يتم اختيار مفتاح أشباه الموصلات للتكنولوجيا المناسبة بشكل فردي بحت ، ويزن إيجابيات وسلبيات ، بما في ذلك السعر والأبعاد والكفاءة وعوامل أخرى.

وفي الوقت نفسه ، من المستحيل أن نقول بشكل لا لبس فيه أن IGBT في حالة واحدة نموذجية مناسبة ، وفي الحالة الأخرى - MOSFET فقط. من الضروري اتباع نهج شامل لتطوير كل جهاز محدد. بناءً على طاقة الجهاز وطريقة تشغيله والنظام الحراري المقدر والأبعاد المقبولة وميزات دائرة التحكم ، إلخ.

والأهم من ذلك - بعد اختيار مفاتيح النوع المطلوب ، من المهم للمطور تحديد معلماتها بدقة ، لأنه في الوثائق التقنية (في ورقة البيانات) ، لا يتوافق كل شيء دائمًا مع الواقع. كلما كانت المعلمات أكثر دقة ، زاد كفاءة المنتج وموثوقيته ، بغض النظر عما إذا كان IGBT أو MOSFET.

انظر أيضا:الترانزستورات ذات التأثير الثنائي القطب والميدان - ما هو الفرق