Snaga MOSFET i IGBT tranzistora, razlike i značajke njihove primjene

Tehnologije na području energetske elektronike neprestano se poboljšavaju: releji postaju u čvrstom stanju, bipolarni tranzistori i tiristori sve se intenzivnije zamjenjuju poljskim tranzistorima, razvijaju se novi materijali i primjenjuju se u kondenzatorima itd. - aktivna tehnološka evolucija vidljiva je svugdje, koja ne prestaje za godinu dana. Koji je razlog za to?

To je očito zbog činjenice da proizvođači u nekom trenutku nisu u stanju udovoljiti zahtjevima potrošača prema mogućnostima i kvaliteti električne elektroničke opreme: relej iskre i gori kontakte, bipolarni tranzistori zahtijevaju previše snage za kontrolu, a energetski uređaji su neprihvatljivo puno prostora itd. Proizvođači se međusobno natječu - tko će prvi ponuditi najbolju alternativu ...?

Pojavili su se poljski MOSFET tranzistori, zahvaljujući kojima je kontrola protoka nosača naboja postala moguća ne promjenom osnovne struje, kao u bipolarni preci, i pomoću električnog polja zatvarača, u stvari - jednostavno primjenom napona na zatvarač.

Kao rezultat toga, do početka 2000-ih udio energetskih uređaja na MOSFET-u i IGBT-u iznosio je oko 30%, dok je bipolarni tranzistor u energetskoj elektronici ostao manji od 20%. Tijekom posljednjih 15 godina došlo je do još značajnijeg pomaka, i klasični bipolarni tranzistori gotovo u potpunosti ustupili mjesto MOSFET-u i IGBT-u u segmentu kontroliranih poluvodičkih sklopki.

Projektiranje npr. visokofrekventni pretvarač energije, programer već odabire između MOSFET-a i IGBT-a - oba su pod nadzorom napona primijenjenog na vrata, a ne strujom, poput bipolarnih tranzistora, a kao rezultat toga su upravljački krugovi jednostavniji. Razmotrimo, međutim, značajke ovih vrlo tranzistora kontroliranih naponom vrata.

MOSFET ili IGBT

U IGBT (IGBT bipolarni tranzistor s izoliranim vratima) u otvorenom stanju, radna struja prolazi kroz p-n spoj, a u MOSFET - kroz odvodni kanal, koji ima otporni karakter. Ovdje su mogućnosti za rasipanje energije kod ovih uređaja različite, a gubici su različiti: za MOSFET terenski uređaj disipirana snaga bit će proporcionalna kvadratu struje kroz kanal i kanalnom otporu, dok je za IGBT disipirana snaga proporcionalna naponu zasićenja kolektora i emiteru i struji kroz kanal. u prvom stupnju.

Ako moramo smanjiti ključne gubitke, morat ćemo odabrati MOSFET s nižim otporom kanala, ali ne zaboravite da će se s porastom temperature poluvodiča ovaj otpor povećavati, a gubici grijanja i dalje povećavati. Ali s IGBT-om, s porastom temperature, napon zasićenja pn spoja, naprotiv, opada, što znači da se smanjuju gubici grijanja.

No nije sve tako elementarno kao što se može činiti kad osoba neiskusna u snažnoj elektronici. Mehanizmi za određivanje gubitaka u IGBT i MOSFET su bitno različiti.

Kao što razumijete, u MOSFET tranzistoru, otpor kanala u provodnom stanju uzrokuje na njemu određene gubitke snage, koji su, prema statistikama, gotovo 4 puta veći od snage potrošnje na kontrolu vrata.

S IGBT-om je situacija upravo suprotna: gubici na tranziciji su manji, ali troškovi energije za upravljanje su veći. Govorimo o frekvencijama veličine 60 kHz, a što je veća frekvencija, to je veći gubitak kontrole zatvarača, posebno što se tiče IGBT-a.

Stvar je u tome što u MOSFET-ovi manjinski nosači ne rekombiniraju, kao što je to slučaj u IGBT-u, koji uključuje MOSFET tranzistor s efektom polja koji određuje brzinu otvaranja, ali gdje baza nije izravno dostupna, a nemoguće je ubrzati proces pomoću vanjskih krugova.Kao rezultat toga, dinamičke karakteristike IGBT-a su ograničene, a maksimalna radna frekvencija ograničena.

Povećavajući prijenosni koeficijent i smanjujući napon zasićenja, recimo da smanjujemo statičke gubitke, ali onda povećavamo gubitke tijekom prebacivanja. Iz tog razloga, proizvođači IGBT-ova u dokumentaciji za svoje uređaje navode optimalnu frekvenciju i najveću brzinu prebacivanja.

S MOSFET-om postoji nedostatak. Njegova unutarnja dioda karakterizira ograničeno obrnuto vrijeme oporavka, koje na jedan ili drugi način premašuje vrijeme oporavka karakteristično za unutarnje anti-paralelne IGBT diode. Kao rezultat, imamo prekidačke gubitke i trenutna preopterećenja MOSFET-a u krugovima s pola mosta.

Sada izravno o raspodijeljenoj toplini. Područje strukture IGBT poluvodiča veće je od MOSFET-a, dakle disipirana snaga IGBT-a je veća, međutim, temperatura prijelaza intenzivnije raste tijekom rada ključa, stoga je važno odabrati radijator do ključa, pravilno izračunati toplinski tok, uzimajući u obzir toplinski otpor svih granica montaže.

MOSFET-ovi također imaju veće gubitke pri zagrijavanju pri velikoj snazi, što daleko prelazi gubitak IGBT zatvarača. S kapacitetima iznad 300-500W i frekvencijama u području od 20-30 kHz, prevladavat će IGBT tranzistori.

Općenito, za svaki zadatak oni odabiru svoju vrstu ključa i postoje određeni tipični pogledi na ovaj aspekt. MOSFET-ovi su pogodni za rad na frekvencijama iznad 20 kHz s naponskim naponom do 300 V - punjači, prebacivanje napajanja, kompaktni pretvarači male snage itd. - ogromna većina njih danas se okupi na MOSFET-u.

IGBT-ovi dobro rade na frekvencijama do 20 kHz s naponima od 1000 volti ili više - pretvaračima frekvencije, UPS-om itd. - ovo su niskofrekventni energetski uređaji za IGBT tranzistore.

U srednjoj niši - od 300 do 1000 volti, na frekvencijama reda od 10 kHz - izbor poluvodičkog sklopka odgovarajuće tehnologije provodi se isključivo pojedinačno, važući prednosti i nedostatke, uključujući cijenu, dimenzije, učinkovitost i druge čimbenike.

U međuvremenu je nemoguće nedvosmisleno reći da je u jednoj tipičnoj situaciji IGBT prikladan, a u drugoj - samo MOSFET. Potrebno je sveobuhvatno pristupiti razvoju svakog određenog uređaja. Na temelju snage uređaja, njegovog načina rada, procijenjenog toplinskog režima, prihvatljivih dimenzija, značajki upravljačkog kruga itd.

I što je najvažnije - odabirom tipki tražene vrste, programeru je važno točno odrediti njihove parametre, jer u tehničkoj dokumentaciji (u podatkovnom listu) ne uvijek sve točno odgovara stvarnosti. Što su precizniji parametri poznati, to će se učinkovitiji i pouzdaniji proizvod ispostaviti, bez obzira radi li se o IGBT ili MOSFET.

Vidi također:Bipolarni i poljski tranzistori - u čemu je razlika