Výkonové tranzistory MOSFET a IGBT, rozdíly a vlastnosti jejich aplikace

Technologie v oblasti výkonové elektroniky se neustále zlepšují: relé se stanou v pevném stavu, bipolární tranzistory a tyristory se stále častěji nahrazují tranzistory s efektem v terénu, vyvíjejí se nové materiály a používají se v kondenzátorech atd. - všude je jasně viditelný aktivní technologický vývoj, který se nezastaví rok. Jaký je důvod?

Je to zjevně způsobeno skutečností, že v určitém okamžiku výrobci nejsou schopni uspokojit požadavky zákazníků na schopnosti a kvalitu výkonového elektronického zařízení: relé jiskří a spálí kontakty, bipolární tranzistory vyžadují příliš mnoho energie na ovládání, energetické jednotky jsou nepřijatelně hodně prostoru atd. Výrobci mezi sebou soutěží - kdo bude první, kdo nabídne nejlepší alternativu ...?

Takže se objevily polní tranzistory MOSFET, díky kterým bylo možné regulovat tok nosných nábojů ne změnou základního proudu, jako v bipolární předcia pomocí elektrického pole závěrky - ve skutečnosti - jednoduše připojením napětí na závěrku.

Výsledkem bylo, že na začátku 2000 let byl podíl výkonových zařízení na MOSFETu a IGBT asi 30%, zatímco bipolární tranzistory v výkonové elektronice zůstaly méně než 20%. Za posledních 15 let došlo k ještě významnějšímu průlomu a klasické bipolární tranzistory téměř úplně ustoupil MOSFET a IGBT v segmentu polovodičových spínačů s řízeným výkonem.

Navrhování, například, vysokofrekvenční měnič výkonu, vývojář již volí mezi MOSFETem a IGBT - které jsou řízeny napětím přivedeným na bránu, a nikoli proudem, jako jsou bipolární tranzistory, a řídicí obvody jsou proto v důsledku jednodušší. Podívejme se však na vlastnosti těchto tranzistorů řízených napětím brány.

MOSFET nebo IGBT

V IGBT (IGBT bipolární tranzistor s izolovanou hradlou) v otevřeném stavu prochází pracovní proud přes p-n křižovatku a v MOSFETu - kanálem odtokového zdroje, který má odporový charakter. Zde jsou možnosti rozptylu energie pro tato zařízení rozdílné, ztráty jsou různé: pro polní zařízení MOSFET bude rozptýlený výkon úměrný čtverci proudu kanálem a odporu kanálu, zatímco pro IGBT bude rozptýlený výkon úměrný saturačnímu napětí sběrače a emitoru a kanálu v prvním stupni.

Pokud potřebujeme snížit klíčové ztráty, budeme muset zvolit MOSFET s nižším odporem kanálu, ale nezapomeňte, že se zvyšující se teplotou polovodičů tento odpor vzroste a tepelné ztráty se budou stále zvyšovat. Ale s IGBT se zvyšující se teplotou naopak klesá saturační napětí pn křižovatky, což znamená, že se snižují tepelné ztráty.

Ale ne všechno je tak elementární, jak by se mohlo zdát na pohled osoby nezkušené v výkonové elektronice. Mechanismy určování ztrát v IGBT a MOSFET se zásadně liší.

Jak víte, v tranzistoru MOSFET odpor kanálu ve vodivém stavu způsobuje určité ztráty energie, které jsou podle statistik téměř čtyřikrát vyšší než energie spotřebovaná na ovládání brány.

U IGBT je situace přesně opačná: ztráty při přechodu jsou menší, ale náklady na správu energie jsou vyšší. Mluvíme o frekvencích řádově 60 kHz a čím vyšší je frekvence, tím větší je ztráta ovládání brány, zejména s ohledem na IGBT.

Jde o to, že u MOSFETu se menšinové nosiče nekombinují, jako je tomu v IGBT, který zahrnuje tranzistor MOSFET s polním efektem, který určuje rychlost otevírání, ale kde základna není přímo přístupná, a je nemožné urychlit proces pomocí externích obvodů.V důsledku toho jsou dynamické vlastnosti IGBT omezené a maximální provozní frekvence je omezená.

Zvýšením koeficientu přenosu a snížením saturačního napětí řekněme, že snižujeme statické ztráty, ale pak zvyšujeme ztráty během přepínání. Z tohoto důvodu výrobci IGBT uvádějí v dokumentaci pro svá zařízení optimální frekvenci a maximální spínací rychlost.

S MOSFETem existuje nevýhoda. Jeho vnitřní dioda je charakterizována konečnou dobou zpětného zotavení, která jakýmkoli způsobem překračuje charakteristiku doby zotavení interních antiparalelních IGBT diod. Výsledkem je spínací ztráty a proudové přetížení MOSFETu v polovičních mostních obvodech.

Nyní přímo o rozptýleném teplu. Plocha polovodičové struktury IGBT je větší než oblast MOSFETu, proto je rozptýlený výkon IGBT větší, nicméně během přechodu na klíč se zvyšuje intenzita přechodu, proto je důležité správně zvolit radiátor ke klíči, správně vypočítat tepelný tok, a to s ohledem na tepelný odpor všech hranic montáž.

MOSFET mají také vyšší tepelné ztráty při vysokém výkonu, což výrazně převyšuje ztrátu závěrky IGBT. Při kapacitách nad 300 - 500 W a při frekvencích v oblasti 20 - 30 kHz převládají tranzistory IGBT.

Obecně platí, že pro každý úkol si vyberou svůj vlastní typ klíče a existují určité typické pohledy na tento aspekt. MOSFET jsou vhodné pro provoz při frekvencích nad 20 kHz s napájecím napětím do 300 V - nabíječky, spínací zdroje napájení, kompaktní střídače s nízkým výkonem atd. - drtivá většina z nich je dnes sestavena na MOSFETu.

IGBT pracují dobře při frekvencích až 20 kHz s napájecím napětím 1 000 V nebo více - frekvenční měniče, UPS atd. - jedná se o nízkofrekvenční segment výkonového zařízení pro tranzistory IGBT.

Ve středním výklenku - od 300 do 1000 voltů, při frekvencích řádově 10 kHz - se výběr polovodičového spínače vhodné technologie provádí čistě individuálně, přičemž se zvažují klady a zápory, včetně ceny, rozměrů, účinnosti a dalších faktorů.

Mezitím nelze jednoznačně říci, že v jedné typické situaci je vhodný IGBT a v druhé - pouze MOSFET. Je nutné komplexně přistupovat k vývoji každého konkrétního zařízení. Na základě výkonu zařízení, jeho provozního režimu, odhadovaného tepelného režimu, přijatelných rozměrů, vlastností řídicího obvodu atd.

A co je nejdůležitější - po výběru klíčů požadovaného typu je pro vývojáře důležité přesně určit jejich parametry, protože v technické dokumentaci (v datovém listu) se v žádném případě přesně neodpovídá skutečnosti. Čím přesně jsou parametry známy, tím účinnější a spolehlivější se produkt ukáže, bez ohledu na to, zda se jedná o IGBT nebo MOSFET.

Viz také:Tranzistory s bipolárním a polním efektem - jaký je rozdíl