Power MOSFET- och IGBT-transistorer, skillnader och funktioner i deras applikation

Teknologier inom kraftelektronik förbättras ständigt: reläer blir fast tillstånd, bipolära transistorer och tyristorer ersätts mer och mer omfattande av fälteffekttransistorer, nya material utvecklas och appliceras i kondensatorer, etc. - aktiv teknisk utveckling syns tydligt överallt, vilket inte stannar på ett år. Vad är orsaken till detta?

Detta beror uppenbarligen på det faktum att tillverkarna vid någon tidpunkt inte kan uppfylla konsumenternas krav på kapacitet och kvalitet på elelektronisk utrustning: reläet gnister och bränner kontakter, bipolära transistorer kräver för mycket kraft för att kontrollera, kraftenheter är oacceptabelt mycket utrymme osv. Tillverkare tävlar med varandra - vem kommer att vara de första att erbjuda det bästa alternativet ...?

Så fält MOSFET-transistorer dök upp, tack vare vilken kontroll av flödet av laddningsbärare blev möjlig inte genom att ändra basströmmen, som i bipolära förfäderoch med hjälp av det elektriska fältet i slutaren, faktiskt - helt enkelt genom att applicera spänning på slutaren.

Som ett resultat, i början av 2000-talet, var andelen kraftaggregat på MOSFET och IGBT cirka 30%, medan bipolära transistorer inom kraftelektronik förblev mindre än 20%. Under de senaste 15 åren har det skett ett ännu större genombrott och klassiska bipolära transistorer nästan fullständigt gav plats för MOSFET och IGBT inom segmentet för kontrollerade kraft halvledaromkopplare.

Designa till exempel högfrekvent effektomvandlare, väljer utvecklaren redan mellan MOSFET och IGBT - som båda styrs av spänningen som appliceras på grinden och inte av strömmen, som bipolära transistorer, och styrkretsarna är enklare som ett resultat. Låt oss dock överväga funktionerna hos dessa mycket transistorer som styrs av grindspänningen.

MOSFET eller IGBT

I IGBT (IGBT bipolär transistor med isolerad grind) i öppet tillstånd passerar driftsströmmen genom p-n-korsningen och i MOSFET - genom dräneringskällan, som har en resistiv karaktär. Möjligheterna för effektdistribution är så olika för dessa enheter, förlusterna är olika: för en MOSFET-fältman kommer den utspridda effekten att vara proportionell mot kvadratet på strömmen genom kanalen och kanalmotståndet, medan för IGBT: er kommer den avledade kraften att vara proportionell mot kollektor-emitterens mättningsspänning och strömmen genom kanalen i den första graden.

Om vi ​​behöver minska viktiga förluster, måste vi välja en MOSFET med lägre kanalmotstånd, men glöm inte att med ökande halvledartemperatur kommer detta motstånd att öka och värmeförlusterna fortfarande ökar. Men med IGBT, med ökande temperatur, minskar mättningsspänningen i pn-korsningen tvärtom, vilket innebär att värmeförlusterna minskar.

Men inte allt är så elementärt som det kan verka vid synen av en person som är oerfaren i kraftelektronik. Mekanismerna för att bestämma förluster i IGBT och MOSFET är grundläggande olika.

Som ni förstår, i en MOSFET-transistor orsakar kanalmotståndet i ledningsläget vissa effektförluster på den, som enligt statistik är nästan fyra gånger högre än kraften som spenderas på grindkontroll.

Med IGBT är situationen precis motsatt: förlusterna på övergången är mindre, men energikostnaderna för förvaltningen är större. Vi talar om frekvenser i storleksordningen 60 kHz, och ju högre frekvensen är, desto större är förlusten av grindkontroll, särskilt vad gäller IGBT.

Saken är att i MOSFET rekombineras inte minoritetsbärare, som är fallet i IGBT, som inkluderar en MOSFET-fälteffekttransistor som bestämmer öppningshastigheten, men där basen inte är direkt tillgänglig, och det är omöjligt att påskynda processen med externa kretsar.Som ett resultat är IGBT: s dynamiska egenskaper begränsade och den maximala driftsfrekvensen är begränsad.

Genom att öka överföringskoefficienten och sänka mättningsspänningen, låt oss säga att vi sänker de statiska förlusterna, men sedan ökar vi förlusterna under omkopplingen. Av detta skäl anger tillverkare av IGBT: er i dokumentationen för sina enheter den optimala frekvensen och maximala växlingshastigheten.

Det finns en nackdel med MOSFET. Dess inre diode kännetecknas av en begränsad omvänd återhämtningstid, som på ett eller annat sätt överskrider den återhämtningstid som är karakteristisk för interna anti-parallella IGBT-dioder. Som ett resultat har vi kopplingsförluster och nuvarande överbelastning av MOSFET i halvbrokretsar.

Nu direkt om den avledade värmen. Området för halvledar-IGBT-strukturen är större än MOSFET: s, därför är den avledade effekten av IGBT större, men övergångstemperaturen ökar mer intensivt under funktionen av nyckeln, därför är det viktigt att välja radiatorn till nyckeln korrekt, korrekt beräkna värmeflödet, med hänsyn till värmemotståndet för alla gränser montering.

MOSFET har också högre värmeförluster vid hög effekt, vilket överstiger IGBT-slutartiden. Med kapaciteter över 300-500W och vid frekvenser i området 20-30 kHz kommer IGBT-transistorer att ha företräde.

I allmänhet väljer de för varje uppgift sin egen typ av nyckel, och det finns vissa typiska åsikter om denna aspekt. MOSFET är lämpliga för drift vid frekvenser över 20 kHz med matningsspänningar upp till 300 V - Laddare, växlar strömförsörjning, kompakta växelriktare med låg effekt, etc. - den stora majoriteten av dem monteras idag på MOSFET.

IGBT: er fungerar bra vid frekvenser upp till 20 kHz med matningsspänningar på 1000 volt eller mer - frekvensomvandlare, UPS, etc. - det här är lågfrekvenssegmentet av kraftutrustning för IGBT-transistorer.

I den mellanliggande nischen - från 300 till 1000 volt, vid frekvenser av storleksordningen 10 kHz - utförs valet av en halvledaromkopplare med lämplig teknik rent individuellt och väger fördelar och nackdelar, inklusive pris, dimensioner, effektivitet och andra faktorer.

Samtidigt är det omöjligt att säga entydigt att I en typisk situation är IGBT lämplig, och i den andra - endast MOSFET. Det är nödvändigt att närma sig utvecklingen av varje specifik enhet. Baserat på enhetens kraft, dess driftssätt, den uppskattade termiska regimen, acceptabla dimensioner, funktioner i styrkretsen, etc.

Och viktigast av allt - när man har valt nycklarna av den önskade typen är det viktigt för utvecklaren att exakt bestämma sina parametrar, för i den tekniska dokumentationen (i databladet) överensstämmer det inte alls exakt med verkligheten. Ju mer exakt parametrarna är kända, desto effektivare och pålitligare kommer produkten att bli, oavsett om det är IGBT eller MOSFET.

Se även:Bipolära och fälteffekttransistorer - vad är skillnaden