Zasilaj tranzystory MOSFET i IGBT, różnice i cechy ich zastosowania

Technologie w dziedzinie elektroniki mocy są stale ulepszane: przekaźniki stają się półprzewodnikowe, tranzystory bipolarne i tyrystory są coraz częściej zastępowane tranzystorami polowymi, opracowywane są nowe materiały i stosowane w kondensatorach itp. - aktywna ewolucja technologiczna jest wszędzie widoczna, co nie kończy się przez rok. Jaki jest tego powód?

Wynika to oczywiście z faktu, że w pewnym momencie producenci nie są w stanie zaspokoić wymagań konsumentów dotyczących możliwości i jakości energoelektronicznego sprzętu energetycznego: przekaźnik iskrzy i pali styki, tranzystory bipolarne wymagają zbyt dużej mocy do sterowania, jednostki mocy są niedopuszczalne dużo miejsca itp. Producenci konkurują ze sobą - kto jako pierwszy zaoferuje najlepszą alternatywę ...?

Pojawiły się więc tranzystory polowe MOSFET, dzięki którym kontrola przepływu nośników ładunku stała się możliwa nie poprzez zmianę prądu podstawowego, jak w dwubiegunowi przodkowie, aw rzeczywistości przez pole elektryczne żaluzji - po prostu przykładane do napięcia żaluzji.

W rezultacie na początku 2000 r. Udział urządzeń zasilających w MOSFET i IGBT wynosił około 30%, podczas gdy tranzystory bipolarne w elektronice energetycznej pozostały poniżej 20%. W ciągu ostatnich 15 lat nastąpił jeszcze bardziej znaczący przełom, oraz klasyczne tranzystory bipolarne prawie całkowicie ustąpił miejsca MOSFET i IGBT w segmencie półprzewodnikowych przełączników o kontrolowanej mocy.

Projektowanie na przykład przetwornica mocy wysokiej częstotliwości, deweloper już wybiera między MOSFET i IGBT - oba są kontrolowane przez napięcie przyłożone do bramki, a nie przez prąd, jak tranzystory bipolarne, dzięki czemu obwody sterujące są prostsze. Zastanówmy się jednak nad cechami tych samych tranzystorów sterowanych napięciem bramki.

MOSFET lub IGBT

W IGBT (tranzystor bipolarny IGBT z izolowaną bramką) w stanie otwartym prąd roboczy przepływa przez złącze p-n, aw MOSFET - przez kanał dren-źródło, który ma charakter rezystancyjny. Tutaj możliwości rozpraszania mocy są różne dla tych urządzeń, straty są różne: dla urządzenia polowego MOSFET, rozproszona moc będzie proporcjonalna do kwadratu prądu w kanale i rezystancji kanału, podczas gdy dla IGBT rozproszona moc będzie proporcjonalna do napięcia nasycenia kolektor-emiter i prądu przez kanał w pierwszym stopniu.

Jeśli będziemy musieli zmniejszyć kluczowe straty, będziemy musieli wybrać MOSFET o niższym oporze kanałowym, ale nie zapominaj, że wraz ze wzrostem temperatury półprzewodnika opór ten wzrośnie, a straty ciepła będą nadal rosły. Jednak w przypadku IGBT wraz ze wzrostem temperatury napięcie nasycenia złącza pn maleje, co oznacza, że ​​spadają straty ciepła.

Ale nie wszystko jest tak elementarne, jak mogłoby się wydawać na widok osoby niedoświadczonej w elektronice energetycznej. Mechanizmy określania strat w IGBT i MOSFET są zasadniczo różne.

Jak rozumiesz, w tranzystorze MOSFET rezystancja kanału w stanie przewodzącym powoduje na nim pewne straty mocy, które, zgodnie ze statystykami, są prawie 4 razy wyższe niż moc wydawana na sterowanie bramką.

W przypadku IGBT sytuacja jest dokładnie odwrotna: straty na przejściu są mniejsze, ale koszty energii dla zarządzania są większe. Mówimy o częstotliwościach rzędu 60 kHz, a im wyższa częstotliwość, tym większa utrata kontroli nad migawką, szczególnie w odniesieniu do IGBT.

Chodzi o to, że w MOSFET mniejszościowe nośniki nie rekombinują, jak ma to miejsce w przypadku IGBT, który zawiera tranzystor polowy MOSFET, który określa prędkość otwierania, ale gdzie podstawa nie jest bezpośrednio dostępna i nie można przyspieszyć procesu za pomocą obwodów zewnętrznych.W rezultacie właściwości dynamiczne IGBT są ograniczone, a maksymalna częstotliwość robocza jest ograniczona.

Zwiększając współczynnik transmisji i obniżając napięcie nasycenia, powiedzmy, że obniżamy straty statyczne, ale następnie zwiększamy straty podczas przełączania. Z tego powodu producenci IGBT wskazują w dokumentacji swoich urządzeń optymalną częstotliwość i maksymalną prędkość przełączania.

Z MOSFET-em jest pewna wada. Jego wewnętrzna dioda charakteryzuje się skończonym czasem powrotu do tyłu, który w taki czy inny sposób przekracza charakterystykę czasu odzyskiwania charakterystyczną dla wewnętrznych antyrównoległych diod IGBT. W rezultacie mamy straty przełączania i przeciążenia prądowe MOSFET w obwodach półmostkowych.

Teraz bezpośrednio o rozproszonym cieple. Obszar półprzewodnikowej struktury IGBT jest większy niż MOSFET, dlatego moc rozproszona IGBT jest większa, jednak temperatura przejścia wzrasta bardziej intensywnie podczas działania klucza, dlatego ważne jest prawidłowe dobranie grzejnika do klucza, prawidłowe obliczenie strumienia ciepła, biorąc pod uwagę opór cieplny wszystkich granic montaż.

Tranzystory MOSFET mają również wyższe straty ciepła przy dużej mocy, znacznie przekraczając straty migawki IGBT. Przy mocy powyżej 300-500 W i częstotliwościach w zakresie 20-30 kHz przeważać będą tranzystory IGBT.

Zasadniczo do każdego zadania wybierają własny typ klucza i istnieją pewne typowe poglądy na ten aspekt. Tranzystory MOSFET nadają się do pracy na częstotliwościach powyżej 20 kHz przy napięciu zasilania do 300 V - ładowarki, przełączanie zasilaczy, kompaktowe falowniki małej mocy itp. - zdecydowana większość z nich jest dziś montowana w MOSFET.

Tranzystory IGBT działają dobrze przy częstotliwościach do 20 kHz przy napięciu zasilania wynoszącym 1000 woltów lub więcej - przetwornice częstotliwości, zasilacze UPS itp. - są to segmenty niskiej częstotliwości urządzeń zasilających tranzystory IGBT.

W niszy pośredniej - od 300 do 1000 woltów, przy częstotliwościach rzędu 10 kHz - wybór przełącznika półprzewodnikowego odpowiedniej technologii odbywa się wyłącznie indywidualnie, ważąc zalety i wady, w tym cenę, wymiary, wydajność i inne czynniki.

Tymczasem nie można jednoznacznie stwierdzić, że w jednej typowej sytuacji odpowiedni jest IGBT, aw drugiej - tylko MOSFET. Konieczne jest kompleksowe podejście do rozwoju każdego konkretnego urządzenia. W oparciu o moc urządzenia, jego tryb działania, szacowany reżim termiczny, dopuszczalne wymiary, cechy obwodu sterującego itp.

A co najważniejsze - po wybraniu kluczy wymaganego typu ważne jest, aby programista dokładnie określił ich parametry, ponieważ w dokumentacji technicznej (w arkuszu danych) w żadnym wypadku nie zawsze wszystko dokładnie odpowiada rzeczywistości. Im dokładniejsze są znane parametry, tym bardziej wydajny i niezawodny będzie produkt, niezależnie od tego, czy jest to IGBT, czy MOSFET.

Zobacz także:Tranzystory bipolarne i polowe - jaka jest różnica