Transistors MOSFET et IGBT de puissance, différences et caractéristiques de leur application

Les technologies dans le domaine de l'électronique de puissance sont en constante amélioration: les relais deviennent à l'état solide, les transistors bipolaires et les thyristors sont de plus en plus remplacés par des transistors à effet de champ, de nouveaux matériaux sont développés et appliqués dans les condensateurs, etc. - l'évolution technologique active est clairement visible partout, ce qui ne s'arrête pas pendant un an. Quelle en est la raison?

Cela est évidemment dû au fait qu'à un moment donné, les fabricants ne sont pas en mesure de satisfaire les demandes des consommateurs en termes de capacités et de qualité des équipements électroniques de puissance: les relais étincellent et brûlent les contacts, les transistors bipolaires nécessitent trop de puissance à contrôler, les unités de puissance sont inacceptables beaucoup d'espace, etc. Les fabricants se font concurrence - qui sera le premier à proposer la meilleure alternative ...?

Ainsi, des transistors MOSFET de champ sont apparus, grâce auxquels le contrôle du flux des porteurs de charge est devenu possible non pas en changeant le courant de base, comme dans ancêtres bipolaires, et à travers le champ électrique de l'obturateur, en fait - simplement appliqué à la tension d'obturation.

En conséquence, au début des années 2000, la part des dispositifs d'alimentation sur MOSFET et IGBT était d'environ 30%, tandis que les transistors bipolaires dans l'électronique de puissance restaient inférieurs à 20%. Au cours des 15 dernières années, il y a eu une percée encore plus importante, et transistors bipolaires classiques a presque complètement cédé la place aux MOSFET et IGBT dans le segment des commutateurs à semi-conducteurs à puissance contrôlée.

Concevoir, par exemple, convertisseur de puissance haute fréquence, le développeur choisit déjà entre MOSFET et IGBT - qui sont tous deux contrôlés par la tension appliquée à la grille, et non par le courant, comme les transistors bipolaires, et les circuits de commande sont plus simples en conséquence. Considérons cependant les caractéristiques de ces mêmes transistors contrôlés par la tension de grille.

MOSFET ou IGBT

Dans l'IGBT (transistor bipolaire IGBT à grille isolée) à l'état ouvert, le courant de fonctionnement passe par la jonction p-n, et dans le MOSFET - par le canal drain-source, qui a un caractère résistif. Ici, les possibilités de dissipation de puissance sont différentes pour ces appareils, les pertes sont différentes: pour un appareil de terrain MOSFET, la puissance dissipée sera proportionnelle au carré du courant traversant le canal et la résistance du canal, tandis que pour l'IGBT la puissance dissipée sera proportionnelle à la tension de saturation collecteur-émetteur et au courant traversant le canal au premier degré.

Si nous devons réduire les pertes de clés, nous devrons choisir un MOSFET avec une résistance de canal plus faible, mais n'oubliez pas qu'avec l'augmentation de la température des semi-conducteurs, cette résistance augmentera et les pertes de chaleur augmenteront toujours. Mais avec l'IGBT, avec l'augmentation de la température, la tension de saturation de la jonction pn, au contraire, diminue, ce qui signifie que les pertes de chaleur diminuent.

Mais tout n'est pas aussi élémentaire que cela puisse paraître à la vue d'une personne inexpérimentée en électronique de puissance. Les mécanismes de détermination des pertes de l'IGBT et du MOSFET sont fondamentalement différents.

Comme vous le comprenez, dans un transistor MOSFET, la résistance de canal à l'état conducteur provoque certaines pertes de puissance sur celui-ci, qui, selon les statistiques, sont presque 4 fois plus élevées que la puissance dépensée pour la commande de grille.

Avec l'IGBT, la situation est exactement le contraire: les pertes sur la transition sont moindres, mais les coûts énergétiques de gestion sont plus importants. Nous parlons de fréquences de l'ordre de 60 kHz, et plus la fréquence est élevée, plus la perte de contrôle de l'obturateur est importante, notamment en ce qui concerne les IGBT.

Le fait est que dans les MOSFET, les porteurs minoritaires ne se recombinent pas, comme c'est le cas dans l'IGBT, qui comprend un transistor à effet de champ MOSFET qui détermine la vitesse d'ouverture, mais où la base n'est pas directement accessible, et il est impossible d'accélérer le processus à l'aide de circuits externes.En conséquence, les caractéristiques dynamiques de l'IGBT sont limitées et la fréquence de fonctionnement maximale est limitée.

En augmentant le coefficient de transmission et en abaissant la tension de saturation, disons que nous diminuons les pertes statiques, mais ensuite nous augmentons les pertes lors de la commutation. Pour cette raison, les fabricants d'IGBT indiquent dans la documentation de leurs appareils la fréquence optimale et la vitesse de commutation maximale.

Il y a un inconvénient avec le MOSFET. Sa diode interne est caractérisée par un temps de récupération inverse fini, qui dépasse d'une manière ou d'une autre le temps de récupération caractéristique des diodes IGBT anti-parallèles internes. En conséquence, nous avons des pertes de commutation et des surcharges de courant du MOSFET dans des circuits en demi-pont.

Maintenant directement sur la chaleur dissipée. La surface de la structure IGBT semi-conductrice est plus grande que celle du MOSFET, par conséquent, la puissance dissipée de l'IGBT est plus grande, cependant, la température de transition augmente plus intensément pendant le fonctionnement de la clé, il est donc important de choisir correctement le radiateur à la clé, en calculant correctement le flux de chaleur, en tenant compte de la résistance thermique de toutes les frontières assemblage.

Les MOSFET ont également des pertes de chaleur plus élevées à haute puissance, dépassant de loin la perte d'obturation IGBT. Avec des capacités supérieures à 300-500W et à des fréquences de l'ordre de 20-30 kHz, les transistors IGBT prévaudront.

En général, pour chaque tâche, ils choisissent leur propre type de clé, et il existe certaines vues typiques sur cet aspect. Les MOSFET conviennent pour fonctionner à des fréquences supérieures à 20 kHz avec des tensions d'alimentation jusqu'à 300 V - chargeurs, alimentation à découpage, onduleurs compacts de faible puissance, etc. - la grande majorité d'entre eux sont aujourd'hui assemblés chez MOSFET.

Les IGBT fonctionnent bien à des fréquences allant jusqu'à 20 kHz avec des tensions d'alimentation de 1000 volts ou plus - convertisseurs de fréquence, onduleurs, etc. - ce sont le segment basse fréquence de l'équipement d'alimentation pour les transistors IGBT.

Dans le créneau intermédiaire - de 300 à 1000 volts, à des fréquences de l'ordre de 10 kHz - la sélection d'un commutateur à semi-conducteur de la technologie appropriée est effectuée uniquement individuellement, en pesant les avantages et les inconvénients, y compris le prix, les dimensions, l'efficacité et d'autres facteurs.

Pendant ce temps, il est impossible de dire sans équivoque que dans une situation typique, l'IGBT convient, et dans l'autre - uniquement le MOSFET. Il est nécessaire d'aborder de manière globale le développement de chaque appareil spécifique. En fonction de la puissance de l'appareil, de son mode de fonctionnement, du régime thermique estimé, des dimensions acceptables, des caractéristiques du circuit de commande, etc.

Et surtout - après avoir choisi les clés du type requis, il est important pour le développeur de déterminer précisément leurs paramètres, car dans la documentation technique (dans la fiche technique), en aucun cas tout ne correspond toujours exactement à la réalité. Plus les paramètres sont connus avec précision, plus le produit sera efficace et fiable, qu'il s'agisse d'IGBT ou de MOSFET.

Voir aussi:Transistors bipolaires et à effet de champ - quelle est la différence