Tranzistoare MOSFET și IGBT, diferențe și caracteristici ale aplicației lor

Tehnologiile din domeniul electronicelor energetice sunt în continuă îmbunătățire: releele devin în stare solidă, tranzistoarele bistolare și tiristorii sunt înlocuite din ce în ce mai mult prin tranzistoare cu efect de câmp, materiale noi sunt dezvoltate și aplicate în condensatoare etc. - Evoluția tehnologică activă este clar vizibilă peste tot, care nu se oprește un an. Care este motivul pentru asta?

Acest lucru se datorează, evident, faptului că la un moment dat producătorii nu sunt capabili să satisfacă cerințele consumatorilor pentru capabilitățile și calitatea echipamentelor electronice de putere: releul scânteie și contactele arde, tranzistoarele bipolare necesită prea multă putere pentru control, unitățile de alimentare sunt inacceptabile. mult spațiu, etc. Producătorii concurează între ei - cine va fi primul care va oferi cea mai bună alternativă ...?

Așadar, au apărut tranzistoarele MOSFET de câmp, datorită cărora controlul fluxului de transportatori de sarcină a devenit posibil nu prin modificarea curentului de bază, ca în strămoși bipolari, și prin intermediul câmpului electric al obturatorului, de fapt - pur și simplu prin aplicarea tensiunii la obturator.

Drept urmare, până la începutul anilor 2000, ponderea dispozitivelor de putere pe MOSFET și IGBT era de aproximativ 30%, în timp ce tranzistoarele bipolare din electronica de putere au rămas sub 20%. În ultimii 15 ani a existat o descoperire și mai semnificativă și tranzistoare bipolare clasice aproape complet a dat loc MOSFET și IGBT în segmentul comutatoarelor cu semiconductor de putere controlată.

Proiectarea, de exemplu, convertor de înaltă frecvență, dezvoltatorul alege deja între MOSFET și IGBT - ambele sunt controlate de tensiunea aplicată la poartă, și nu de curent, ca tranzistoarele bipolare, iar circuitele de control sunt mai simple. Să luăm în considerare însă caracteristicile acestor tranzistoare foarte controlate de tensiunea porții.

MOSFET sau IGBT

În IGBT (tranzistor bipolar IGBT cu poartă izolată) în stare deschisă, curentul de funcționare trece prin joncțiunea p-n, iar în MOSFET trece prin canalul de scurgere, care are un caracter rezistiv. Deci posibilitățile de disipare a puterii sunt diferite pentru aceste dispozitive, pierderile sunt diferite: pentru un câmp de câmp MOSFET, puterea disipată va fi proporțională cu pătratul curentului prin canal și rezistența canalului, în timp ce pentru IGBT-urile puterea disipată va fi proporțională cu tensiunea de saturație a colectorului-emițător și cu curentul prin canal. în gradul I.

Dacă trebuie să reducem pierderile cheie, va trebui să alegem un MOSFET cu o rezistență mai mică a canalului, dar nu uitați că, odată cu creșterea temperaturii semiconductorului, această rezistență va crește, iar pierderile de încălzire vor crește în continuare. Dar cu IGBT, odată cu creșterea temperaturii, tensiunea de saturație a joncțiunii pn, dimpotrivă, scade, ceea ce înseamnă că pierderile de încălzire scad.

Dar nu totul este atât de elementar pe cât ar putea părea la vederea unei persoane fără experiență în electronica de putere. Mecanismele de determinare a pierderilor în IGBT și MOSFET sunt fundamental diferite.

După cum înțelegeți, într-un tranzistor MOSFET, rezistența canalului în starea de conducere provoacă anumite pierderi de putere asupra acestuia, care, conform statisticilor, sunt de aproape 4 ori mai mari decât puterea cheltuită la controlul porții.

În cazul IGBT, situația este exact invers: pierderile la tranziție sunt mai mici, dar costurile de energie pentru management sunt mai mari. Vorbim despre frecvențe de ordinul de 60 kHz și cu cât este mai mare frecvența, cu atât este mai mare pierderea controlului obturatorului, în special în ceea ce privește IGBT.

Chestia este că în transportatorii minoritari MOSFET nu se recombină, așa cum se întâmplă în IGBT, care include un tranzistor cu efect de câmp MOSFET care determină viteza de deschidere, dar în care baza nu este direct accesibilă și este imposibil să grăbească procesul folosind circuite externe.Ca urmare, caracteristicile dinamice ale IGBT sunt limitate, iar frecvența maximă de funcționare este limitată.

Prin creșterea coeficientului de transmisie și scăderea tensiunii de saturație, să zicem că scădem pierderile statice, dar apoi creștem pierderile în timpul comutării. Din acest motiv, producătorii de IGBT indică în documentația pentru dispozitivele lor frecvența optimă și viteza maximă de comutare.

Există un dezavantaj cu MOSFET. Dioda sa internă se caracterizează printr-un timp fin de recuperare inversă, care într-un fel sau altul depășește timpul de recuperare caracteristic pentru diodele interne anti-paralele IGBT. Drept urmare, avem pierderi de comutare și supraîncărcări de curent ale MOSFET în circuitele cu jumătate de punte.

Acum direct despre căldura disipată. Suprafața structurii IGBT cu semiconductor este mai mare decât cea a MOSFET, prin urmare, puterea disipată a IGBT este mai mare, cu toate acestea, temperatura de tranziție crește mai intens în timpul funcționării cheii, de aceea, este important să alegeți radiatorul la cheie corect, calculând corect fluxul de căldură, ținând cont de rezistența termică a tuturor limitelor. asamblare.

MOSFET-urile au, de asemenea, pierderi mai mari de încălzire la o putere mare, depășind cu mult pierderea obturatorului IGBT. Cu capacități peste 300-500W și la frecvențe în regiunea 20-30 kHz, tranzistorii IGBT vor predomina.

În general, pentru fiecare sarcină își aleg propriul tip de cheie și există anumite puncte de vedere tipice asupra acestui aspect. MOSFET-urile sunt potrivite pentru funcționarea la frecvențe peste 20 kHz cu tensiuni de alimentare de până la 300 V - încărcătoare, surse de alimentare cu comutareinvertoare compacte de putere redusă etc. - marea majoritate a acestora sunt asamblate astăzi la MOSFET.

IGBT-urile funcționează bine la frecvențe de până la 20 kHz cu tensiuni de alimentare de 1000 volți sau mai mult - convertoare de frecvență, UPS-uri etc. - acestea sunt segmentul de frecvență joasă al echipamentelor de alimentare pentru tranzistoarele IGBT.

În nișa intermediară - de la 300 la 1000 volți, la frecvențe de ordinul a 10 kHz - selecția unui comutator semiconductor al tehnologiei corespunzătoare se realizează pur individual, cântărind avantajele și contra, inclusiv prețul, dimensiunile, eficiența și alți factori.

Între timp, este imposibil să spunem fără echivoc că într-o situație tipică IGBT este potrivit, iar în cealaltă - doar MOSFET. Este necesar să abordăm în mod cuprinzător dezvoltarea fiecărui dispozitiv specific. Pe baza puterii dispozitivului, a modului său de funcționare, a regimului termic estimat, a dimensiunilor acceptabile, a caracteristicilor circuitului de control etc.

Și cel mai important - după ce am ales cheile tipului dorit, este important ca dezvoltatorul să-și determine cu exactitate parametrii, deoarece în documentația tehnică (în fișa tehnică), în niciun caz totul nu se potrivește întotdeauna cu realitatea. Cu cât sunt cunoscuți mai exact parametrii, cu atât se va dovedi mai eficient și mai fiabil produsul, indiferent dacă este IGBT sau MOSFET.

Vezi și:Tranzistoare cu efect bipolar și de câmp - care este diferența