Power MOSFET en IGBT-transistors, verschillen en functies van hun toepassing

Technologieën op het gebied van vermogenselektronica worden voortdurend verbeterd: relais worden vaste toestand, bipolaire transistoren en thyristoren worden meer en meer vervangen door veldeffecttransistoren, nieuwe materialen worden ontwikkeld en toegepast in condensatoren, enz. - actieve technologische evolutie is overal duidelijk zichtbaar, die niet stopt voor een jaar. Wat is hiervoor de reden?

Dit is duidelijk te wijten aan het feit dat de fabrikanten op een bepaald moment niet in staat zijn om te voldoen aan de eisen van de consument voor de mogelijkheden en kwaliteit van elektrische vermogensapparatuur: het relais vonkt en verbrandt contacten, bipolaire transistors hebben te veel vermogen nodig om te regelen, voedingseenheden zijn onaanvaardbaar veel ruimte, enz. Fabrikanten concurreren onderling - wie zijn de eersten die het beste alternatief bieden ...?

Dus verschenen veld-MOSFET-transistors, dankzij welke controle van de stroom van ladingsdragers mogelijk werd, niet door de basisstroom te veranderen, zoals in bipolaire vooroudersen in feite door het elektrische veld van de sluiter - eenvoudig toegepast op de sluiterspanning.

Als gevolg hiervan bedroeg het aandeel stroomapparaten op MOSFET en IGBT aan het begin van de jaren 2000 ongeveer 30%, terwijl bipolaire transistors in vermogenselektronica minder dan 20% bleven. In de afgelopen 15 jaar is er een nog grotere doorbraak geweest, en klassieke bipolaire transistoren bijna volledig vervangen door MOSFET en IGBT in het segment van halfgeleiderschakelaars met gereguleerd vermogen.

Ontwerpen bijvoorbeeld hoogfrequente stroomomvormer, de ontwikkelaar kiest al tussen MOSFET en IGBT - beide worden bestuurd door de spanning die op de poort wordt aangelegd, en niet door de stroom, zoals bipolaire transistors, en de besturingsschakelingen zijn hierdoor eenvoudiger. Laten we echter eens kijken naar de kenmerken van deze zeer transistoren die worden bestuurd door de poortspanning.

MOSFET of IGBT

In IGBT (IGBT bipolaire transistor met geïsoleerde poort) in de open toestand gaat de bedrijfsstroom door de p-n junction en in MOSFET - door het drain-source kanaal, dat een resistief karakter heeft. Hier zijn de mogelijkheden voor vermogensdissipatie verschillend voor deze apparaten, de verliezen zijn verschillend: voor een MOSFET-veldapparaat zal het gedissipeerde vermogen evenredig zijn aan het kwadraat van de stroom door het kanaal en de kanaalweerstand, terwijl voor IGBT het gedissipeerde vermogen evenredig is aan de verzadigingsspanning van de collector-emitter en de stroom door het kanaal in de eerste graad.

Als we sleutelverliezen moeten verminderen, moeten we een MOSFET kiezen met een lagere kanaalweerstand, maar vergeet niet dat bij toenemende halfgeleidertemperatuur deze weerstand zal toenemen en de verwarmingsverliezen nog steeds zullen toenemen. Maar bij IGBT neemt bij toenemende temperatuur de verzadigingsspanning van de pn-overgang juist af, wat betekent dat warmteverliezen afnemen.

Maar niet alles is zo elementair als het lijkt bij het zien van een persoon onervaren in vermogenselektronica. De verliesbepalingsmechanismen van IGBT en MOSFET zijn fundamenteel verschillend.

Zoals u begrijpt, veroorzaakt in een MOSFET-transistor de kanaalweerstand in de geleidende toestand bepaalde vermogensverliezen, die volgens de statistieken bijna 4 keer hoger zijn dan het vermogen besteed aan poortbesturing.

Met IGBT is de situatie precies andersom: verliezen bij de overgang zijn minder, maar de energiekosten voor beheer zijn groter. We hebben het over frequenties in de orde van grootte van 60 kHz, en hoe hoger de frequentie, hoe groter het verlies aan sluiterregeling, vooral met betrekking tot IGBT.

Het ding is dat in MOSFET minderheidsdragers niet combineren, zoals het geval is in IGBT, dat een MOSFET veldeffecttransistor bevat die de openingssnelheid bepaalt, maar waar de basis niet direct toegankelijk is en het onmogelijk is om het proces te versnellen met behulp van externe circuits.Als gevolg hiervan zijn de dynamische kenmerken van IGBT beperkt en is de maximale werkfrequentie beperkt.

Door de transmissiecoëfficiënt te verhogen en de verzadigingsspanning te verlagen, laten we zeggen dat we de statische verliezen verlagen, maar dan vergroten we de verliezen tijdens het schakelen. Om deze reden geven fabrikanten van IGBT's in de documentatie voor hun apparaten de optimale frequentie en maximale schakelsnelheid aan.

Er is een nadeel met de MOSFET. De interne diode wordt gekenmerkt door een eindige omgekeerde hersteltijd, die op een of andere manier de hersteltijdkarakteristiek van interne anti-parallelle IGBT-dioden overschrijdt. Als gevolg hiervan hebben we schakelverliezen en stroomoverbelasting van de MOSFET in halfbrugcircuits.

Nu direct over de afgevoerde warmte. Het oppervlak van de halfgeleider IGBT-structuur is groter dan dat van de MOSFET, daarom is het gedissipeerde vermogen van IGBT groter, echter, de overgangstemperatuur stijgt intensiever tijdens de werking van de sleutel, daarom is het belangrijk om de radiator naar de sleutel correct te kiezen, de warmteflux correct te berekenen, rekening houdend met de thermische weerstand van alle grenzen assemblage.

MOSFET's hebben ook hogere warmteverliezen bij hoog vermogen, veel meer dan het IGBT-sluiterverlies. Met capaciteiten boven 300-500W en bij frequenties in het bereik van 20-30 kHz zullen IGBT-transistoren de overhand hebben.

Over het algemeen kiezen ze voor elke taak hun eigen type sleutel, en er zijn bepaalde typische opvattingen over dit aspect. MOSFET's zijn geschikt voor gebruik bij frequenties boven 20 kHz met voedingsspanningen tot 300 V - Chargers, schakelende voedingen, compacte omvormers met laag vermogen, enz. - de overgrote meerderheid van hen wordt vandaag geassembleerd bij MOSFET.

IGBT's werken goed bij frequenties tot 20 kHz met voedingsspanningen van 1000 volt of meer - frequentieomvormers, UPS'en, enz. - dit zijn het laagfrequente segment van vermogensapparatuur voor IGBT-transistors.

In de tussenliggende niche - van 300 tot 1000 volt, bij frequenties in de orde van 10 kHz - wordt de selectie van een halfgeleiderschakelaar van de juiste technologie puur individueel uitgevoerd, waarbij de voor- en nadelen worden afgewogen, inclusief prijs, afmetingen, efficiëntie en andere factoren.

Ondertussen is het onmogelijk om ondubbelzinnig te zeggen dat in de ene typische situatie IGBT geschikt is en in de andere - alleen MOSFET. Het is noodzakelijk om de ontwikkeling van elk specifiek apparaat volledig te benaderen. Op basis van het vermogen van het apparaat, de werkingsmodus, het geschatte thermische regime, acceptabele afmetingen, kenmerken van het regelcircuit, enz.

En nog belangrijker - na het kiezen van de sleutels van het vereiste type, is het belangrijk voor de ontwikkelaar om hun parameters nauwkeurig te bepalen, omdat in de technische documentatie (in de datasheet) lang niet alles altijd exact overeenkomt met de realiteit. Hoe nauwkeuriger de parameters bekend zijn, hoe efficiënter en betrouwbaarder het product zal worden, ongeacht of het IGBT of MOSFET is.

Zie ook:Bipolaire en veldeffecttransistors - wat is het verschil