Transistores MOSFET e IGBT de potência, diferenças e recursos de sua aplicação

As tecnologias no campo da eletrônica de potência estão sendo constantemente aprimoradas: relés tornam-se estado sólido, transistores bipolares e tiristores estão sendo substituídos cada vez mais extensivamente por transistores de efeito de campo, novos materiais estão sendo desenvolvidos e aplicados em capacitores, etc. - a evolução tecnológica ativa é claramente visível em todos os lugares, o que não para por um ano. Qual o motivo disso?

Obviamente, isso se deve ao fato de que, em algum momento, os fabricantes não conseguem atender às solicitações dos consumidores quanto às capacidades e qualidade dos equipamentos eletrônicos de potência: o relé acende e queima contatos, os transistores bipolares requerem muita energia para controlar, as unidades de potência são inaceitavelmente muito espaço, etc. Os fabricantes competem entre si - quem será o primeiro a oferecer a melhor alternativa ...?

Assim, surgiram os transistores MOSFET de campo, graças aos quais o controle do fluxo de portadores de carga se tornou possível, não alterando a corrente base, como em antepassados ​​bipolares, e por meio do campo elétrico do obturador, de fato - simplesmente aplicando tensão ao obturador.

Como resultado, no início dos anos 2000, a participação de dispositivos de potência no MOSFET e IGBT era de cerca de 30%, enquanto os transistores bipolares na eletrônica de potência permaneciam menos de 20%. Nos últimos 15 anos, houve um avanço ainda mais significativo, e transistores bipolares clássicos quase completamente deu lugar ao MOSFET e IGBT no segmento de switches controlados de semicondutores de potência.

Projetando, por exemplo, conversor de potência de alta frequência, o desenvolvedor já escolhe entre MOSFET e IGBT - ambos controlados pela tensão aplicada ao portão e não pela corrente, como transistores bipolares, e os circuitos de controle são mais simples como resultado. Vamos considerar, no entanto, as características desses mesmos transistores controlados pela tensão do portão.

MOSFET ou IGBT

No IGBT (transistor bipolar IGBT com porta isolada) no estado aberto, a corrente de trabalho passa através da junção p-n e no MOSFET - através do canal de drenagem-fonte, que possui um caráter resistivo. Aqui, as possibilidades de dissipação de energia são diferentes para esses dispositivos, as perdas são diferentes: para um homem de campo MOSFET, a potência dissipada será proporcional ao quadrado da corrente através do canal e a resistência do canal, enquanto para IGBT a energia dissipada será proporcional à tensão de saturação do coletor-emissor e à corrente através do canal no primeiro grau.

Se precisarmos reduzir as principais perdas, precisaremos escolher um MOSFET com uma resistência de canal mais baixa, mas não esqueça que, com o aumento da temperatura do semicondutor, essa resistência aumentará e as perdas de aquecimento ainda aumentarão. Porém, com o IGBT, com o aumento da temperatura, a tensão de saturação da junção pn, pelo contrário, diminui, o que significa que as perdas de aquecimento diminuem.

Mas nem tudo é tão elementar quanto parece ao ver uma pessoa inexperiente em eletrônica de potência. Os mecanismos para determinar perdas no IGBT e no MOSFET são fundamentalmente diferentes.

Como você entende, em um transistor MOSFET, a resistência do canal no estado condutor causa certas perdas de energia, as quais, segundo as estatísticas, são quase 4 vezes maiores que a energia gasta no controle de portas.

Com o IGBT, a situação é exatamente o oposto: as perdas na transição são menores, mas os custos de energia para gerenciamento são maiores. Estamos falando de frequências da ordem de 60 kHz, e quanto maior a frequência, maior a perda de controle do gate, especialmente no que diz respeito ao IGBT.

O problema é que, nas transportadoras minoritárias MOSFET, não se recombinam, como acontece no IGBT, que inclui um transistor de efeito de campo MOSFET que determina a velocidade de abertura, mas onde a base não está diretamente acessível, e é impossível acelerar o processo usando circuitos externos.Como resultado, as características dinâmicas do IGBT são limitadas e a frequência operacional máxima é limitada.

Ao aumentar o coeficiente de transmissão e diminuir a tensão de saturação, digamos que reduzimos as perdas estáticas, mas aumentamos as perdas durante a comutação. Por esse motivo, os fabricantes de IGBTs indicam na documentação de seus dispositivos a frequência ideal e a velocidade máxima de comutação.

Há uma desvantagem com o MOSFET. Seu diodo interno é caracterizado por um tempo finito de recuperação reversa, que de uma maneira ou de outra excede o tempo de recuperação característico dos diodos IGBT internos paralelos. Como resultado, temos perdas de comutação e sobrecargas de corrente do MOSFET em circuitos de meia ponte.

Agora diretamente sobre o calor dissipado. A área da estrutura IGBT do semicondutor é maior que a do MOSFET; portanto, a potência dissipada do IGBT é maior; no entanto, a temperatura de transição aumenta mais intensamente durante a operação da chave; portanto, é importante escolher o radiador para a chave corretamente, calculando corretamente o fluxo de calor, levando em consideração a resistência térmica de todos os limites. montagem.

Os MOSFETs também têm maiores perdas de aquecimento em alta potência, excedendo em muito a perda do obturador IGBT. Com capacidades acima de 300-500W e em frequências na região de 20-30 kHz, os transistores IGBT prevalecerão.

Em geral, para cada tarefa, eles escolhem seu próprio tipo de chave e há certas visualizações típicas sobre esse aspecto. Os MOSFETs são adequados para operação em frequências acima de 20 kHz com tensões de alimentação de até 300 V - carregadores, comutação de fontes de alimentação, inversores compactos de baixa potência, etc. - a grande maioria deles está montada hoje na MOSFET.

Os IGBTs funcionam bem em frequências de até 20 kHz com tensões de alimentação de 1000 volts ou mais - conversores de frequência, UPSs etc. - estes são o segmento de baixa frequência de equipamentos de energia para transistores IGBT.

No nicho intermediário - de 300 a 1000 volts, em frequências da ordem de 10 kHz - a seleção de um comutador semicondutor da tecnologia apropriada é realizada puramente individualmente, ponderando os prós e contras, incluindo preço, dimensões, eficiência e outros fatores.

Enquanto isso, é impossível dizer inequivocamente que em uma situação típica o IGBT é adequado, e na outra - apenas o MOSFET. É necessário abordar de maneira abrangente o desenvolvimento de cada dispositivo específico. Com base na potência do dispositivo, seu modo de operação, o regime térmico estimado, dimensões aceitáveis, características do circuito de controle, etc.

E o mais importante - tendo escolhido as chaves do tipo desejado, é importante que o desenvolvedor determine com precisão seus parâmetros, porque na documentação técnica (na folha de dados), nem tudo é sempre exatamente verdade. Quanto mais precisamente os parâmetros forem conhecidos, mais eficiente e confiável o produto será, independentemente de ser IGBT ou MOSFET.

Veja também:Transistores bipolares e de efeito de campo - qual a diferença