Τρανζίστορ ισχύος MOSFET και IGBT, διαφορές και χαρακτηριστικά της εφαρμογής τους

Οι τεχνολογίες στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος συνεχώς βελτιώνονται: τα ρελέ γίνονται στερεά, τα διπολικά τρανζίστορ και τα θυροσκόπια αντικαθίστανται όλο και εκτενέστερα από τα τρανζίστορ πεδίου δράσης, τα νέα υλικά αναπτύσσονται και εφαρμόζονται σε πυκνωτές κλπ. - η ενεργή τεχνολογική εξέλιξη είναι ορατή παντού, η οποία δεν σταματάει για ένα χρόνο. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό;

Αυτό οφείλεται προφανώς στο γεγονός ότι σε κάποιο σημείο οι κατασκευαστές δεν είναι ικανοί να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των καταναλωτών για τις δυνατότητες και την ποιότητα του ηλεκτρονικού εξοπλισμού ισχύος: ο ηλεκτρονόμος σπινθήρων και οι επαφές εγκαύματος, τα διπολικά τρανζίστορ απαιτούν υπερβολική δύναμη για έλεγχο, οι μονάδες ισχύος είναι απαράδεκτα πολύ χώρο, κλπ. Οι κατασκευαστές ανταγωνίζονται μεταξύ τους - ποιος θα είναι ο πρώτος που θα προσφέρει την καλύτερη εναλλακτική λύση ...;

Έτσι, εμφανίστηκαν τρανζίστορ πεδίου MOSFET, χάρη στον οποίο κατέστη δυνατή η ρύθμιση της ροής των φορτιστών φορτίου όχι με την αλλαγή του ρεύματος βάσης, όπως στο διπολικούς προγόνους, και μέσω του ηλεκτρικού πεδίου του κλείστρου, στην πραγματικότητα - απλά με την εφαρμογή τάσης στο κλείστρο.

Ως αποτέλεσμα, από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, το μερίδιο των συσκευών ισχύος στα MOSFET και IGBT ήταν περίπου 30%, ενώ τα διπολικά τρανζίστορ στα ηλεκτρονικά ισχύος παρέμειναν λιγότερο από το 20%. Τα τελευταία 15 χρόνια σημειώθηκε ακόμη πιο σημαντική πρόοδος και κλασικά διπολικά τρανζίστορ σχεδόν πλήρως έδωσε τη θέση του σε MOSFET και IGBT στο τμήμα των ελεγχόμενων διακοπτών ημιαγωγών ισχύος.

Σχεδιάζοντας, για παράδειγμα, μετατροπέα ισχύος υψηλής συχνότητας, ο προγραμματιστής επιλέγει ήδη μεταξύ του MOSFET και του IGBT - και οι δύο ελέγχονται από την τάση που εφαρμόζεται στην πύλη και όχι από το ρεύμα, όπως τα διπολικά τρανζίστορ, και τα κυκλώματα ελέγχου είναι πιο απλά ως αποτέλεσμα. Ας εξετάσουμε, ωστόσο, τα χαρακτηριστικά αυτών των πολύ τρανζίστορ που ελέγχονται από την τάση πύλης.

MOSFET ή IGBT

Στο IGBT (διπολικό τρανζίστορ IGBT με μονωμένη πύλη) στην ανοιχτή κατάσταση, το ρεύμα λειτουργίας περνά μέσω της διακλάδωσης p-n και στο MOSFET - μέσω του καναλιού πηγής αποστράγγισης, το οποίο έχει αντίσταση. Οι απώλειες είναι διαφορετικές: για μια συσκευή πεδίου MOSFET, η εξουδετερωμένη ισχύς θα είναι ανάλογη με το τετράγωνο του ρεύματος μέσω του καναλιού και την αντίσταση του καναλιού, ενώ για το IGBT η απορροφημένη ισχύς θα είναι ανάλογη προς την τάση κορεσμού συλλέκτη-εκπομπού και το ρεύμα μέσω του καναλιού στον πρώτο βαθμό.

Αν χρειαστεί να μειώσουμε τις βασικές απώλειες, θα χρειαστεί να επιλέξετε ένα MOSFET με χαμηλότερη αντίσταση καναλιού, αλλά μην ξεχνάτε ότι με την αύξηση της θερμοκρασίας ημιαγωγών αυτή η αντίσταση θα αυξηθεί και οι απώλειες θέρμανσης θα αυξηθούν ακόμα. Αλλά με IGBT, με την αύξηση της θερμοκρασίας, η τάση κορεσμού της διακλάδωσης pn, αντίθετα, μειώνεται, πράγμα που σημαίνει ότι μειώνονται οι απώλειες θέρμανσης.

Αλλά δεν είναι όλα τόσο στοιχειώδη όσο μπορεί να φανεί στη θέα ενός ατόμου που δεν έχει εμπειρία στην ηλεκτρονική ισχύος. Οι μηχανισμοί για τον προσδιορισμό των απωλειών σε IGBT και MOSFET είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί.

Όπως καταλαβαίνετε, σε ένα τρανζίστορ MOSFET, η αντίσταση του καναλιού στην αγώγιμη κατάσταση προκαλεί ορισμένες απώλειες ισχύος σε αυτό, οι οποίες, σύμφωνα με τις στατιστικές, είναι σχεδόν 4 φορές υψηλότερες από την ισχύ που καταναλώνεται στον έλεγχο πύλης.

Με την IGBT, η κατάσταση είναι ακριβώς το αντίθετο: οι απώλειες στη μετάβαση είναι λιγότερες, αλλά το κόστος ενέργειας για τη διαχείριση είναι μεγαλύτερο. Μιλάμε για συχνότητες της τάξης των 60 kHz, και όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ελέγχου της πύλης, ειδικά όσον αφορά το IGBT.

Το γεγονός είναι ότι στους μεταφορείς μειονοτήτων MOSFET δεν ανασυνδυάζεται, όπως συμβαίνει με το IGBT, το οποίο περιλαμβάνει ένα τρανζίστορ MOSFET πεδίου-αποτελέσματος που καθορίζει την ταχύτητα ανοίγματος, αλλά όπου η βάση δεν είναι άμεσα προσβάσιμη και είναι αδύνατο να επιταχυνθεί η διαδικασία χρησιμοποιώντας εξωτερικά κυκλώματα.Ως αποτέλεσμα, τα δυναμικά χαρακτηριστικά του IGBT είναι περιορισμένα και η μέγιστη συχνότητα λειτουργίας είναι περιορισμένη.

Με την αύξηση του συντελεστή μετάδοσης και τη μείωση της τάσης κορεσμού, ας υποθέσουμε ότι μειώνουμε τις στατικές απώλειες, αλλά στη συνέχεια αυξάνουμε τις απώλειες κατά τη μεταγωγή. Για το λόγο αυτό, οι κατασκευαστές IGBTs υποδεικνύουν στην τεκμηρίωση για τις συσκευές τους τη βέλτιστη συχνότητα και τη μέγιστη ταχύτητα μεταγωγής.

Υπάρχει ένα μειονέκτημα με το MOSFET. Η εσωτερική του δίοδος χαρακτηρίζεται από έναν πεπερασμένο χρόνο ανάστροφης ανάκτησης, ο οποίος με τον ένα ή τον άλλο τρόπο υπερβαίνει το χαρακτηριστικό χρόνου ανάκτησης των εσωτερικών αντιπαράλληλων διόδων IGBT. Ως αποτέλεσμα, έχουμε μετατρέψει τις απώλειες και την τρέχουσα υπερφόρτωση του MOSFET στα κυκλώματα μισής γέφυρας.

Τώρα άμεσα σχετικά με τη διάχυτη θερμότητα. Η περιοχή της δομής IGBT ημιαγωγών είναι μεγαλύτερη από αυτή του MOSFET, επομένως, η διαλυμένη ισχύς του IGBT είναι μεγαλύτερη, ωστόσο, η θερμοκρασία μετάβασης αυξάνεται εντονότερα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του κλειδιού, συνεπώς είναι σημαντικό να επιλέγεται σωστά το καλοριφέρ με σωστό υπολογισμό της ροής θερμότητας, λαμβάνοντας υπόψη τη θερμική αντίσταση όλων των ορίων συναρμολόγηση.

Τα MOSFET έχουν επίσης υψηλότερες απώλειες θέρμανσης σε υψηλή ισχύ, υπερβαίνοντας πολύ την απώλεια κλείστρου IGBT. Με χωρητικότητες άνω των 300-500W και σε συχνότητες στην περιοχή των 20-30 kHz, τα τρανζίστορ IGBT θα επικρατήσουν.

Γενικά, για κάθε εργασία επιλέγουν τον δικό τους τύπο κλειδιού και υπάρχουν ορισμένες τυπικές απόψεις για αυτό το θέμα. Τα MOSFET είναι κατάλληλα για λειτουργία σε συχνότητες άνω των 20 kHz με τάσεις τροφοδοσίας μέχρι 300 V - φορτιστές, εναλλαγή τροφοδοτικών, συμπαγείς μετατροπείς χαμηλής ισχύος κλπ. - οι περισσότεροι από αυτούς συναρμολογούνται σήμερα στο MOSFET.

Οι IGBT λειτουργούν καλά σε συχνότητες μέχρι 20 kHz με τάσεις τροφοδοσίας 1000 volt ή περισσότερο - μετατροπείς συχνότητας, UPS κ.λπ. - αυτά είναι τα τμήματα χαμηλής συχνότητας του εξοπλισμού ισχύος για τρανζίστορ IGBT.

Στην ενδιάμεση θέση - από 300 έως 1000 βολτ, σε συχνότητες της τάξης των 10 kHz - η επιλογή ενός διακόπτη ημιαγωγών της κατάλληλης τεχνολογίας πραγματοποιείται καθαρά ατομικά, σταθμίζοντας τα υπέρ και τα κατά, συμπεριλαμβανομένης της τιμής, των διαστάσεων, της απόδοσης και άλλων παραγόντων.

Εν τω μεταξύ, είναι αδύνατο να πούμε ξεκάθαρα ότι σε μία τυπική κατάσταση η IGBT είναι κατάλληλη, και στην άλλη - μόνο το MOSFET. Είναι απαραίτητο να προσεγγίσουμε συνολικά την εξέλιξη κάθε συγκεκριμένης συσκευής. Με βάση την ισχύ της συσκευής, τον τρόπο λειτουργίας της, το εκτιμώμενο θερμικό καθεστώς, τις αποδεκτές διαστάσεις, τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος ελέγχου κλπ.

Και το πιο σημαντικό - έχοντας επιλέξει τα κλειδιά του απαιτούμενου τύπου, είναι σημαντικό για τον προγραμματιστή να προσδιορίσει με ακρίβεια τις παραμέτρους του, επειδή στην τεχνική τεκμηρίωση (στο δελτίο δεδομένων), δεν τα πάντα πάντα αντιστοιχούν ακριβώς στην πραγματικότητα. Όσο πιο γνωστές είναι οι παράμετροι, τόσο πιο αποδοτικό και αξιόπιστο θα είναι το προϊόν ανεξάρτητα από το αν είναι IGBT ή MOSFET.

Δείτε επίσης:Διπολικά και πεδίου τρανζίστορ - ποια είναι η διαφορά