Teljesítményű MOSFET és IGBT tranzisztorok, alkalmazásuk különbségei és jellemzői

A teljesítmény-elektronika területén folyamatosan fejlesztenek technológiákat: A relék szilárd állapotúvá válnak, a bipoláris tranzisztorokat és a tirisztorokat egyre szélesebb körben helyettesítik a terepi hatású tranzisztorok, új anyagokat fejlesztenek ki és alkalmaznak a kondenzátorokban stb. - Az aktív technológiai fejlődés jól látható mindenhol, ami egy évig sem áll meg. Mi az oka ennek?

Ez nyilvánvalóan annak a ténynek a következménye, hogy a gyártók egy bizonyos ponton nem tudják kielégíteni a fogyasztók igényeit az erőteljes elektronikus berendezések képességeire és minőségére: a relé szikra és ég az érintkezőket, a bipoláris tranzisztorok túl sok energiát igényelnek a vezérléshez, a tápegységek elfogadhatatlanul sok hely stb. A gyártók versenyeznek egymás között - ki lesz az első, aki a legjobb alternatívát kínálja ...?

Tehát megjelentek a MOSFET mezőtranzisztorok, amelyeknek köszönhetően a töltő hordozók áramlásának szabályozása nem az alapáram megváltoztatásával vált lehetővé, mint a bipoláris ősök, és a redőny elektromos terején keresztül, valójában - egyszerűen a redőny feszültségére.

Ennek eredményeként a 2000-es évek elejére a MOSFET-en és az IGBT-n az erőművek részesedése körülbelül 30% volt, míg a bipoláris tranzisztorok a teljesítmény-elektronikában kevesebb mint 20% -ot tettek ki. Az elmúlt 15 évben még jelentősebb áttörés történt, és klasszikus bipoláris tranzisztorok majdnem teljesen helyet adott a MOSFET-nek és az IGBT-nek a vezérelt teljesítményű félvezető kapcsolók szegmensében.

Például nagyfrekvenciás átalakító, a fejlesztő a MOSFET és az IGBT között dönt - mindkettőt a kapun alkalmazott feszültség vezérli, nem pedig az áram, mint például a bipoláris tranzisztorok, és ennek eredményeként a vezérlőáramkörök egyszerűbbek. Vegyük azonban figyelembe ezeknek a transzisztoroknak a tulajdonságait, amelyeket a kapu feszültsége szabályoz.

MOSFET vagy IGBT

IGBT-ben (IGBT bipoláris tranzisztor szigetelt kapuval) nyitott állapotban az üzemi áram áthalad a p-n kereszteződésen, a MOSFET-ben pedig az elvezető-forrás csatornán, amelynek ellenálló jellege van. Ebben az eszközben az energiaeloszlás lehetőségei eltérőek, a veszteségek eltérőek: MOSFET mezőkészülék esetén az eloszlatott teljesítmény arányos lesz a csatornán áthaladó áram négyzetével és a csatornaellenállással, míg az IGBT esetében az eloszlatott teljesítmény arányos lesz a kollektor-kibocsátó telítési feszültségével és a csatornán áthaladó árammal. az első fokban.

Ha csökkentenünk kell a kulcsveszteségeket, akkor egy alacsonyabb csatornaellenállású MOSFET-et kell választanunk, de ne felejtsük el, hogy a félvezető hőmérsékletének emelkedésével ez az ellenállás növekedni fog, és a hőveszteség továbbra is növekszik. De az IGBT esetén a hőmérséklet növekedésével a pn-csomópont telítési feszültsége éppen ellenkezőleg csökken, ami azt jelenti, hogy a fűtési veszteségek csökkennek.

De nem minden olyan elemi, mint amilyennek látszik egy olyan személy, aki tapasztalatlanul van a hatalom-elektronikában. Az IGBT és a MOSFET veszteségmegállapítási mechanizmusai alapvetően különböznek egymástól.

Mint megértetted, egy MOSFET tranzisztorban a csatornaellenállás vezetőképes állapotban bizonyos energiaveszteségeket okoz, amelyek statisztikai adatok szerint majdnem négyszeresére növekednek, mint a kapuvezérléshez felhasznált teljesítmény.

Az IGBT-vel a helyzet éppen ellenkezőleg fordul elő: az átmeneti veszteségek kisebbek, de a menedzsment energiaköltségei magasabbak. 60 kHz nagyságrendű frekvenciákról beszélünk, és minél magasabb a frekvencia, annál nagyobb a redőnyvezérlés vesztesége, különösen az IGBT vonatkozásában.

A helyzet az, hogy a MOSFET-ben a kisebbségi hordozók nem rekombinálnak, mint például az IGBT esetében, amely magában foglal egy MOSFET mezőhatású tranzisztort, amely meghatározza a nyitási sebességet, de ahol az alap nem érhető el közvetlenül, és lehetetlen külső folyamatokkal gyorsítani a folyamatot.Ennek eredményeként az IGBT dinamikus jellemzői korlátozottak, a maximális működési frekvencia pedig korlátozott.

Tegyük fel, hogy az átviteli együttható növelésével és a telítettség feszültségének csökkentésével csökkentjük a statikus veszteségeket, de az átkapcsolás során növeljük a veszteségeket. Ezért az IGBT-k gyártói az eszközökre vonatkozó dokumentációban meghatározzák az optimális frekvenciát és a maximális kapcsolási sebességet.

Hátránya van a MOSFET-nek. Belső diódáját egy véges fordított visszanyerési idő jellemzi, amely valamilyen módon meghaladja a belső anti-párhuzamos IGBT diódák visszanyerési idejét. Ennek eredményeként a MOSFET kapcsoló veszteségei és áramterhelései félhíd-áramkörökben vannak.

Most közvetlenül a szétszórt hőről. A félvezető IGBT szerkezet területe nagyobb, mint a MOSFETé, ezért az IGBT szétszórt teljesítménye nagyobb, azonban az átmeneti hőmérséklet a kulcs működése közben intenzívebben növekszik, ezért fontos, hogy a radiátort helyesen válasszuk ki a kulcshoz, helyesen kiszámolva a hőáramot, figyelembe véve minden határ hőhatását szerelvény.

A MOSFET-eknek nagyobb hőteljesítményű veszteségeik vannak a nagy teljesítménynél is, messze meghaladva az IGBT redőnyök veszteségét. 300–500 W feletti kapacitásokkal és 20–30 kHz frekvencián az IGBT tranzisztorok uralkodnak.

Általánosságban elmondható, hogy minden egyes feladathoz saját kulcsot választanak, és erről a szempontról vannak bizonyos tipikus nézetek. A MOSFET-ek 20 kHz feletti frekvencián működnek, 300 V-os tápfeszültségig - töltők, kapcsoló tápegységek, kis teljesítményű kompakt inverterek stb. - ezek túlnyomó többségét ma a MOSFET-en szereljük össze.

Az IGBT-k 20 kHz-ig terjedő frekvencián jól működnek, legalább 1000 volt tápfeszültséggel - frekvenciaváltók, UPS-k stb. - ezek az IGBT tranzisztorok alacsony frekvenciájú tápegységei.

A közbenső fülkeben - 300 és 1000 V között, 10 kHz nagyságrendű frekvenciákon - a megfelelő technológia félvezető kapcsolóját kizárólag egyénileg választják meg, mérlegelve az előnyeket és hátrányokat, beleértve az árat, a méreteket, a hatékonyságot és más tényezőket.

Időközben lehetetlen egyértelműen mondani, hogy az egyik tipikus helyzetben az IGBT megfelelő, a másikban csak a MOSFET. Átfogóan kell megközelíteni az egyes eszközök fejlesztését. Az eszköz teljesítménye, működési módja, a becsült hőszabályozás, az elfogadható méretek, a vezérlőáramkör jellemzői stb. Alapján

És ami a legfontosabb - miután kiválasztotta a kívánt típusú kulcsokat, fontos, hogy a fejlesztő pontosan meghatározza paramétereiket, mivel a műszaki dokumentációban (az adatlapban) semmi esetre sem minden pontosan megfelel a valóságnak. Minél pontosabban ismertek a paraméterek, annál hatékonyabb és megbízhatóbb lesz a termék, függetlenül attól, hogy IGBT vagy MOSFET.

Lásd még:Bipoláris és mezőtranzisztorok - mi a különbség