Transistor MOSFET di potenza e IGBT, differenze e caratteristiche della loro applicazione

Le tecnologie nel campo dell'elettronica di potenza vengono costantemente migliorate: i relè diventano a stato solido, transistor e tiristori bipolari vengono sostituiti sempre più ampiamente da transistor ad effetto di campo, nuovi materiali vengono sviluppati e applicati in condensatori, ecc. - L'evoluzione tecnologica attiva è chiaramente visibile ovunque, che non si ferma per un anno. Qual è la ragione di ciò?

Ciò è ovviamente dovuto al fatto che ad un certo punto i produttori non sono in grado di soddisfare le esigenze dei consumatori in merito alle capacità e alla qualità delle apparecchiature elettroniche di potenza: il relè scintilla e brucia i contatti, i transistor bipolari richiedono troppa potenza per il controllo, le unità di potenza sono inaccettabilmente molto spazio, ecc. I produttori competono tra loro - chi sarà il primo a offrire la migliore alternativa ...?

Quindi, sono comparsi i transistor MOSFET di campo, grazie ai quali è diventato possibile il controllo del flusso dei portatori di carica non cambiando la corrente di base, come in antenati bipolari, e per mezzo del campo elettrico dell'otturatore, infatti - semplicemente applicando tensione all'otturatore.

Di conseguenza, all'inizio degli anni 2000, la quota di dispositivi di alimentazione su MOSFET e IGBT era di circa il 30%, mentre i transistor bipolari nell'elettronica di potenza sono rimasti inferiori al 20%. Negli ultimi 15 anni c'è stata una svolta ancora più significativa, e transistor bipolari classici quasi completamente ha ceduto il posto a MOSFET e IGBT nel segmento degli interruttori a semiconduttore di potenza controllata.

Progettare, ad esempio, convertitore di potenza ad alta frequenza, lo sviluppatore sceglie già tra MOSFET e IGBT, entrambi controllati dalla tensione applicata al gate e non dalla corrente, come i transistor bipolari, e di conseguenza i circuiti di controllo sono più semplici. Consideriamo, tuttavia, le caratteristiche di questi stessi transistor controllati dalla tensione di gate.

MOSFET o IGBT

In IGBT (transistor bipolare IGBT con gate isolato) nello stato aperto, la corrente operativa passa attraverso la giunzione p-n e in MOSFET - attraverso il canale di drain-source, che ha un carattere resistivo. Qui, le possibilità di dissipazione di potenza sono diverse per questi dispositivi, le perdite sono diverse: per un dispositivo di campo MOSFET, la potenza dissipata sarà proporzionale al quadrato della corrente attraverso il canale e la resistenza del canale, mentre per IGBT la potenza dissipata sarà proporzionale alla tensione di saturazione collettore-emettitore e alla corrente attraverso il canale in primo grado.

Se dobbiamo ridurre le perdite chiave, dovremo scegliere un MOSFET con una resistenza del canale inferiore, ma non dimenticare che all'aumentare della temperatura dei semiconduttori questa resistenza aumenterà e le perdite di riscaldamento continueranno ad aumentare. Ma con IGBT, con l'aumentare della temperatura, la tensione di saturazione della giunzione pn, al contrario, diminuisce, il che significa che diminuiscono le perdite di riscaldamento.

Ma non tutto è così elementare come potrebbe sembrare alla vista di una persona inesperta nell'elettronica di potenza. I meccanismi per determinare le perdite in IGBT e MOSFET sono fondamentalmente diversi.

Come capisci, in un transistor MOSFET, la resistenza del canale nello stato conduttore provoca alcune perdite di potenza su di esso, che, secondo le statistiche, sono quasi 4 volte superiori alla potenza spesa per il controllo del gate.

Con l'IGBT, la situazione è esattamente l'opposto: le perdite sulla transizione sono minori, ma i costi energetici per la gestione sono maggiori. Stiamo parlando di frequenze dell'ordine di 60 kHz e maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita di controllo del gate, in particolare per quanto riguarda l'IGBT.

Il fatto è che in MOSFET i portatori di minoranza non si ricombinano, come nel caso dell'IGBT, che include un transistor a effetto di campo MOSFET che determina la velocità di apertura, ma in cui la base non è direttamente accessibile ed è impossibile accelerare il processo utilizzando circuiti esterni.Di conseguenza, le caratteristiche dinamiche di IGBT sono limitate e la frequenza operativa massima è limitata.

Aumentando il coefficiente di trasmissione e abbassando la tensione di saturazione, diciamo che riduciamo le perdite statiche, ma poi aumentiamo le perdite durante la commutazione. Per questo motivo, i produttori di IGBT indicano nella documentazione per i loro dispositivi la frequenza ottimale e la massima velocità di commutazione.

C'è un inconveniente con il MOSFET. Il suo diodo interno è caratterizzato da un tempo di recupero inverso finito, che in un modo o nell'altro supera il tempo di recupero caratteristico dei diodi IGBT interni anti-parallelo. Di conseguenza, abbiamo perdite di commutazione e sovraccarichi di corrente del MOSFET nei circuiti a semiponte.

Ora direttamente sul calore dissipato. L'area della struttura IGBT a semiconduttore è più grande di quella del MOSFET, quindi la potenza dissipata dell'IGBT è maggiore, tuttavia la temperatura di transizione aumenta più intensamente durante il funzionamento della chiave, pertanto è importante scegliere correttamente il radiatore alla chiave, calcolando correttamente il flusso di calore, tenendo conto della resistenza termica di tutti i confini montaggio.

I MOSFET hanno anche maggiori perdite di riscaldamento ad alta potenza, superando di gran lunga la perdita dell'otturatore IGBT. Con capacità superiori a 300-500 W e frequenze nella regione di 20-30 kHz, prevarranno i transistor IGBT.

In generale, per ogni attività scelgono il proprio tipo di chiave e ci sono alcune viste tipiche su questo aspetto. I MOSFET sono adatti per funzionare a frequenze superiori a 20 kHz con tensioni di alimentazione fino a 300 V - Caricabatterie, alimentatori a commutazione, inverter compatti a bassa potenza, ecc. - la maggior parte di essi è assemblata oggi presso MOSFET.

Gli IGBT funzionano bene a frequenze fino a 20 kHz con tensioni di alimentazione di almeno 1000 volt - convertitori di frequenza, UPS, ecc. - Questi sono i segmenti a bassa frequenza delle apparecchiature di alimentazione per transistor IGBT.

Nella nicchia intermedia - da 300 a 1000 volt, a frequenze dell'ordine di 10 kHz - la selezione di un interruttore a semiconduttore della tecnologia appropriata viene effettuata in modo puramente individuale, ponderando i pro ei contro, inclusi prezzo, dimensioni, efficienza e altri fattori.

Nel frattempo, è impossibile dire inequivocabilmente che in una situazione tipica è adatto IGBT, e nell'altra - solo MOSFET. È necessario affrontare in modo completo lo sviluppo di ciascun dispositivo specifico. In base alla potenza del dispositivo, alla sua modalità di funzionamento, al regime termico stimato, alle dimensioni accettabili, alle caratteristiche del circuito di controllo, ecc.

E, soprattutto - avendo scelto le chiavi del tipo richiesto, è importante che lo sviluppatore determini con precisione i suoi parametri, perché nella documentazione tecnica (nel foglio dati), tutto non corrisponde sempre esattamente alla realtà. Più i parametri sono noti con precisione, più efficiente e affidabile sarà il prodotto, indipendentemente dal fatto che sia IGBT o MOSFET.

Vedi anche:Transistor bipolari e ad effetto di campo: qual è la differenza