Transistores MOSFET e IGBT de potencia, diferencias y características de su aplicación

Las tecnologías en el campo de la electrónica de potencia se mejoran constantemente: los relés se convierten en estado sólido, los transistores bipolares y los tiristores se están reemplazando cada vez más por transistores de efecto de campo, se están desarrollando y aplicando nuevos materiales en condensadores, etc. La evolución tecnológica activa es claramente visible en todas partes, lo que no se detiene durante un año. ¿Cuál es la razón de esto?

Obviamente, esto se debe al hecho de que en algún momento los fabricantes no pueden satisfacer las demandas de los consumidores de las capacidades y la calidad de los equipos electrónicos de potencia: el relé genera chispas y quema los contactos, los transistores bipolares requieren demasiada potencia para controlar, las unidades de potencia son inaceptablemente mucho espacio, etc. Los fabricantes compiten entre ellos, ¿quién será el primero en ofrecer la mejor alternativa ...?

Entonces, aparecieron los transistores MOSFET de campo, gracias a los cuales el control del flujo de los portadores de carga se hizo posible no cambiando la corriente base, como en antepasados ​​bipolares, y por medio del campo eléctrico del obturador, de hecho, simplemente aplicando voltaje al obturador.

Como resultado, a principios de la década de 2000, la proporción de dispositivos de alimentación en MOSFET e IGBT era de aproximadamente el 30%, mientras que los transistores bipolares en electrónica de potencia permanecían por debajo del 20%. En los últimos 15 años ha habido un avance aún más significativo, y transistores bipolares clásicos casi completamente dio paso a MOSFET e IGBT en el segmento de interruptores de semiconductores de potencia controlada.

Diseñando, por ejemplo, convertidor de potencia de alta frecuencia, el desarrollador ya elige entre MOSFET e IGBT, ambos controlados por el voltaje aplicado a la compuerta y no por la corriente, como los transistores bipolares, y los circuitos de control son más simples como resultado. Sin embargo, consideremos las características de estos mismos transistores controlados por el voltaje de la puerta.

MOSFET o IGBT

En IGBT (transistor bipolar IGBT con puerta aislada) en estado abierto, la corriente de funcionamiento pasa a través de la unión p-n, y en MOSFET, a través del canal de fuente de drenaje, que tiene un carácter resistivo. Aquí, las posibilidades de disipación de potencia son diferentes para estos dispositivos, las pérdidas son diferentes: para un dispositivo de campo MOSFET, la potencia disipada será proporcional al cuadrado de la corriente a través del canal y la resistencia del canal, mientras que para IGBT la potencia disipada será proporcional al voltaje de saturación del colector-emisor y la corriente a través del canal en primer grado

Si necesitamos reducir las pérdidas clave, tendremos que elegir un MOSFET con una resistencia de canal más baja, pero no olvide que con el aumento de la temperatura de los semiconductores, esta resistencia aumentará y las pérdidas por calentamiento seguirán aumentando. Pero con IGBT, con el aumento de la temperatura, el voltaje de saturación de la unión pn, por el contrario, disminuye, lo que significa que las pérdidas por calentamiento disminuyen.

Pero no todo es tan elemental como podría parecer a la vista de una persona sin experiencia en electrónica de potencia. Los mecanismos para determinar las pérdidas en IGBT y MOSFET son fundamentalmente diferentes.

Como comprenderá, en un transistor MOSFET, la resistencia del canal en el estado de conducción causa ciertas pérdidas de potencia, que, según las estadísticas, son casi 4 veces más altas que la potencia gastada en el control de la puerta.

Con IGBT, la situación es exactamente lo contrario: las pérdidas en la transición son menores, pero los costos de energía para la administración son mayores. Estamos hablando de frecuencias del orden de 60 kHz, y cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la pérdida de control del obturador, especialmente con respecto al IGBT.

La cuestión es que en MOSFET los operadores minoritarios no se recombinan, como es el caso de IGBT, que incluye un transistor de efecto de campo MOSFET que determina la velocidad de apertura, pero donde la base no es directamente accesible, y es imposible acelerar el proceso utilizando circuitos externos.Como resultado, las características dinámicas de IGBT son limitadas y la frecuencia operativa máxima es limitada.

Al aumentar el coeficiente de transmisión y disminuir el voltaje de saturación, digamos que disminuimos las pérdidas estáticas, pero luego aumentamos las pérdidas durante la conmutación. Por esta razón, los fabricantes de IGBT indican en la documentación de sus dispositivos la frecuencia óptima y la velocidad máxima de conmutación.

Hay un inconveniente con el MOSFET. Su diodo interno se caracteriza por un tiempo de recuperación inverso finito, que de una forma u otra excede el tiempo de recuperación característico de los diodos IGBT antiparalelos internos. Como resultado, tenemos pérdidas de conmutación y sobrecargas de corriente del MOSFET en circuitos de medio puente.

Ahora directamente sobre el calor disipado. El área de la estructura IGBT de semiconductores es mayor que la del MOSFET, por lo tanto, la potencia disipada de IGBT es mayor, sin embargo, la temperatura de transición aumenta más intensamente durante el funcionamiento de la tecla, por lo tanto, es importante elegir el radiador a la tecla correctamente, calculando correctamente el flujo de calor, teniendo en cuenta la resistencia térmica de todos los límites asamblea.

Los MOSFET también tienen mayores pérdidas de calefacción a alta potencia, superando con creces la pérdida del obturador IGBT. Con capacidades superiores a 300-500W y en frecuencias en la región de 20-30 kHz, prevalecerán los transistores IGBT.

En general, para cada tarea eligen su propio tipo de clave, y hay ciertas opiniones típicas sobre este aspecto. Los MOSFET son adecuados para funcionar a frecuencias superiores a 20 kHz con tensiones de alimentación de hasta 300 V - cargadores, cambio de fuentes de alimentación, inversores compactos de baja potencia, etc. - la gran mayoría de ellos se ensamblan hoy en MOSFET.

Los IGBT funcionan bien en frecuencias de hasta 20 kHz con voltajes de suministro de 1000 voltios o más (convertidores de frecuencia, UPS, etc.), estos son el segmento de baja frecuencia de equipos de potencia para transistores IGBT.

En el nicho intermedio, de 300 a 1000 voltios, a frecuencias del orden de 10 kHz, la selección de un interruptor semiconductor de la tecnología adecuada se lleva a cabo de forma puramente individual, sopesando los pros y los contras, incluidos el precio, las dimensiones, la eficiencia y otros factores.

Mientras tanto, es imposible decir inequívocamente que en una situación típica IGBT es adecuado, y en la otra, solo MOSFET. Es necesario abordar de manera integral el desarrollo de cada dispositivo específico. Según la potencia del dispositivo, su modo de funcionamiento, el régimen térmico estimado, las dimensiones aceptables, las características del circuito de control, etc.

Y lo más importante: una vez elegidas las claves del tipo requerido, es importante que el desarrollador determine con precisión sus parámetros, porque en la documentación técnica (en la hoja de datos), no todo siempre corresponde exactamente a la realidad. Cuanto más precisos sean los parámetros, más eficiente y confiable será el producto, independientemente de si es IGBT o MOSFET.

Ver también:Transistores bipolares y de efecto de campo: ¿cuál es la diferencia?