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Leistungs-MOSFET- und IGBT-Transistoren, Unterschiede und Merkmale ihrer Anwendung

 

Technologien auf dem Gebiet der Leistungselektronik werden ständig verbessert: Relais werden FestkörperBipolartransistoren und Thyristoren werden immer häufiger durch Feldeffekttransistoren ersetzt, neue Materialien werden entwickelt und in Kondensatoren eingesetzt usw. - die aktive technologische Entwicklung ist überall deutlich sichtbar, die ein Jahr lang nicht aufhört. Was ist der Grund dafür?

Dies liegt offensichtlich daran, dass die Hersteller irgendwann nicht mehr in der Lage sind, die Anforderungen der Verbraucher an die Leistungsfähigkeit und Qualität leistungselektronischer Geräte zu erfüllen: Das Relais funkelt und verbrennt Kontakte, Bipolartransistoren benötigen zu viel Leistung zur Steuerung, Leistungsteile sind inakzeptabel viel Platz usw. Hersteller konkurrieren untereinander - wer wird als erster die beste Alternative anbieten ...?

So erschienen Feld-MOSFET-Transistoren, dank derer die Steuerung des Flusses von Ladungsträgern nicht durch Ändern des Basisstroms wie in möglich wurde bipolare Vorfahrenund zwar mittels des elektrischen Feldes des Verschlusses - einfach durch Anlegen einer Spannung an den Verschluss.

Feld-MOSFET-Transistor

Infolgedessen betrug der Anteil der Leistungsbauelemente an MOSFET und IGBT zu Beginn der 2000er Jahre etwa 30%, während die Bipolartransistoren in der Leistungselektronik weniger als 20% blieben. In den letzten 15 Jahren gab es einen noch bedeutenderen Durchbruch, und klassische Bipolartransistoren MOSFET und IGBT im Segment der Halbleiterschalter mit geregelter Leistung sind fast vollständig gewichen.

MOSFET- und IGBT-Transistoren

Entwerfen zum Beispiel Hochfrequenz-StromrichterDer Entwickler wählt bereits zwischen MOSFET und IGBT - beide werden wie bei Bipolartransistoren durch die an das Gate angelegte Spannung und nicht durch den Strom gesteuert, und die Steuerschaltungen sind dadurch einfacher. Betrachten wir jedoch die Merkmale dieser Transistoren, die von der Gate-Spannung gesteuert werden.


MOSFET oder IGBT

Beim IGBT (IGBT-Bipolartransistor mit isoliertem Gate) im offenen Zustand fließt der Betriebsstrom durch den pn-Übergang und im MOSFET - durch den Drain-Source-Kanal, der Widerstandscharakter hat. Hier sind die Möglichkeiten der Verlustleistung für diese Geräte unterschiedlich, die Verluste sind unterschiedlich: Bei einem MOSFET-Feldgerät ist die Verlustleistung proportional zum Quadrat des Stroms durch den Kanal und zum Kanalwiderstand, während für IGBT die Verlustleistung proportional zur Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und zum Strom durch den Kanal ist im ersten Grad.

MOSFET oder IGBT

Wenn wir Schlüsselverluste reduzieren müssen, müssen wir einen MOSFET mit einem niedrigeren Kanalwiderstand wählen, aber vergessen Sie nicht, dass dieser Widerstand mit zunehmender Halbleitertemperatur zunimmt und die Heizverluste immer noch zunehmen. Mit IGBT nimmt jedoch mit zunehmender Temperatur die Sättigungsspannung des pn-Übergangs ab, was bedeutet, dass die Heizverluste abnehmen.

Aber nicht alles ist so elementar, wie es beim Anblick einer in der Leistungselektronik unerfahrenen Person erscheinen mag. Die Mechanismen zur Bestimmung von Verlusten in IGBT und MOSFET unterscheiden sich grundlegend.

Wie Sie verstehen, verursacht in einem MOSFET-Transistor der Kanalwiderstand im leitenden Zustand bestimmte Leistungsverluste, die laut Statistik fast viermal höher sind als die für die Gate-Steuerung aufgewendete Leistung.

Bei IGBT ist die Situation genau umgekehrt: Die Verluste beim Übergang sind geringer, aber die Energiekosten für das Management sind höher. Es handelt sich um Frequenzen in der Größenordnung von 60 kHz. Je höher die Frequenz, desto größer der Verlust der Gate-Steuerung, insbesondere im Hinblick auf IGBT.

IGBT-Transistor

Die Sache ist, dass in MOSFET-Minoritätsträgern keine Rekombination erfolgt, wie dies bei IGBT der Fall ist, das einen MOSFET-Feldeffekttransistor enthält, der die Öffnungsgeschwindigkeit bestimmt, bei dem die Basis jedoch nicht direkt zugänglich ist, und es unmöglich ist, den Prozess unter Verwendung externer Schaltungen zu beschleunigen.Infolgedessen sind die dynamischen Eigenschaften von IGBT begrenzt und die maximale Betriebsfrequenz ist begrenzt.

Nehmen wir an, wir erhöhen die statischen Verluste, erhöhen dann aber die Verluste beim Schalten, indem wir den Übertragungskoeffizienten erhöhen und die Sättigungsspannung senken. Aus diesem Grund geben Hersteller von IGBTs in der Dokumentation für ihre Geräte die optimale Frequenz und maximale Schaltgeschwindigkeit an.

Der MOSFET hat einen Nachteil. Seine interne Diode zeichnet sich durch eine endliche Rücklaufzeit aus, die auf die eine oder andere Weise die für interne antiparallele IGBT-Dioden charakteristische Wiederherstellungszeit überschreitet. Infolgedessen haben wir Schaltverluste und Stromüberlastungen des MOSFET in Halbbrückenschaltungen.

Nun direkt über die abgegebene Wärme. Die Fläche der Halbleiter-IGBT-Struktur ist größer als die des MOSFET, daher ist die Verlustleistung des IGBT größer. Die Übergangstemperatur steigt jedoch während des Betriebs des Schlüssels intensiver an. Daher ist es wichtig, den Strahler für den Schlüssel richtig zu wählen und den Wärmefluss unter Berücksichtigung des Wärmewiderstands aller Grenzen korrekt zu berechnen Montage.

MOSFETs haben auch höhere Heizverluste bei hoher Leistung und liegen weit über dem IGBT-Verschlussverlust. Mit Kapazitäten über 300-500 W und bei Frequenzen im Bereich von 20-30 kHz werden sich IGBT-Transistoren durchsetzen.

Bipolartransistor mit isoliertem Gate

Im Allgemeinen wählen sie für jede Aufgabe ihren eigenen Schlüsseltyp, und es gibt bestimmte typische Ansichten zu diesem Aspekt. MOSFETs eignen sich für den Betrieb bei Frequenzen über 20 kHz mit Versorgungsspannungen bis 300 V - Ladegeräte, Schaltnetzteile, kompakte Wechselrichter mit geringer Leistung usw. - die überwiegende Mehrheit von ihnen wird heute bei MOSFET zusammengebaut.

IGBTs funktionieren gut bei Frequenzen bis zu 20 kHz mit Versorgungsspannungen von 1000 Volt oder mehr - Frequenzumrichter, USVs usw. - dies ist das Niederfrequenzsegment von Leistungsgeräten für IGBT-Transistoren.

In der Zwischennische - von 300 bis 1000 Volt bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 kHz - erfolgt die Auswahl eines Halbleiterschalters der entsprechenden Technologie rein individuell, wobei die Vor- und Nachteile einschließlich Preis, Abmessungen, Effizienz und anderer Faktoren abgewogen werden.

In der Zwischenzeit kann man nicht eindeutig sagen, dass in einer typischen Situation IGBT geeignet ist und in der anderen nur MOSFET. Es ist notwendig, die Entwicklung jedes spezifischen Geräts umfassend anzugehen. Basierend auf der Leistung des Geräts, seiner Funktionsweise, dem geschätzten thermischen Regime, akzeptablen Abmessungen, Merkmalen des Steuerkreises usw.

Und was am wichtigsten ist: Nachdem der Entwickler die Schlüssel des gewünschten Typs ausgewählt hat, ist es wichtig, dass er ihre Parameter genau bestimmt, da in der technischen Dokumentation (im Datenblatt) nicht immer alles genau der Realität entspricht. Je genauer die Parameter bekannt sind, desto effizienter und zuverlässiger wird das Produkt, unabhängig davon, ob es sich um IGBT oder MOSFET handelt.

Siehe auch:Bipolar- und Feldeffekttransistoren - was ist der Unterschied?

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • IGBTs sind die Hauptkomponenten der modernen Leistungselektronik
  • Bipolar- und Feldeffekttransistoren - was ist der Unterschied?
  • Treiber für MOSFET-Transistoren auf einem 555-Timer
  • Arten von Transistoren und ihre Anwendung
  • Auswahl eines Treibers für den MOSFET (Beispielberechnung nach Parametern)

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    Kommentare:

    # 1 schrieb: Wladimir | [Zitat]

     
     

    Danke, guter Artikel.

     
    Kommentare:

    # 2 schrieb: Andrey Kulikov | [Zitat]

     
     

    Kurz, aber zum Thema.

     
    Kommentare:

    # 3 schrieb: Stanislav2018 | [Zitat]

     
     

    "MOSFETs sind für den Betrieb bei Frequenzen über 20 kHz mit Versorgungsspannungen bis zu 300 V geeignet."
    "IGBTs funktionieren gut bei Frequenzen bis zu 20 kHz mit Versorgungsspannungen von 1000 Volt oder mehr."
    Es stellt sich heraus, dass Polewikes besser zum Schweißen von Wechselrichtern geeignet sind als Hybride von Poleviks mit bipolaren Schlüsseln?

     
    Kommentare:

    # 4 schrieb: Ruso | [Zitat]

     
     

    Nein, für Schweißer ist es IGBT, vergessen Sie nicht die Spannungsspitzen ...

     
    Kommentare:

    # 5 schrieb: Maxim | [Zitat]

     
     

    IGBT steht für Isolated Gate Bipolar Transistor. Einfach ausgedrückt ist dies ein elektronischer Schalter.Was IGBT so besonders macht, ist, dass es sehr effizient und schnell ist? Dies sind ideale Merkmale für die elektronische Geschwindigkeitsregelung und die Grundlage aller modernen leistungselektronischen Technologien!

     
    Kommentare:

    # 6 schrieb: Pavel | [Zitat]

     
     

    IGBT-Transistoren sind aus konstruktiver Sicht eine Kombination aus einem MOSFET-Transistor (einfache Bedienung) und einem Bipolartransistor (niedriger Einschaltwiderstand und hoher zulässiger Strom).

     
    Kommentare:

    # 7 schrieb: Alexey | [Zitat]

     
     

    Stanislav2018,
    Nein. Mosfets haben im geöffneten Zustand einen resistiven Charakter, und IGBTs haben Bipolartransistoren, was häufig zu weniger Verlusten führt. Es ist auch notwendig, Schaltverluste (dynamische Verluste) zu vergleichen, die nicht verallgemeinert sind, sondern bestimmte Schlüssel als Beispiel verwenden. Pavel schreibt richtig in den Kommentar unten.