Jaudīgi MOSFET un IGBT tranzistori, atšķirības un to pielietojuma iespējas

Tehnoloģijas enerģijas elektronikas jomā tiek nepārtraukti pilnveidotas: releji kļūst cietā stāvoklī, bipolāros tranzistorus un tiristorus aizvien vairāk un vairāk aizstāj ar lauka efektiem tranzistoriem, tiek izstrādāti jauni materiāli un izmantoti kondensatoros utt. - visur ir skaidri redzama aktīvā tehnoloģiskā evolūcija, kas neapstājas gadu. Kāds tam iemesls?

Tas acīmredzami ir saistīts ar faktu, ka kādā brīdī ražotāji nespēj apmierināt patērētāju prasības par barošanas elektroniskā aprīkojuma iespējām un kvalitāti: relejs dzirksteļo un sadedzina kontaktus, bipolāriem tranzistoriem ir nepieciešams pārāk daudz enerģijas, lai tos vadītu, barošanas bloki ir nepieņemami daudz vietas utt. Ražotāji savā starpā sacenšas - kurš būs pirmais, kurš piedāvās labāko alternatīvu ...?

Tātad parādījās lauka MOSFET tranzistori, pateicoties kuriem uzlādes nesēju plūsmas kontrole kļuva iespējama, nemainot bāzes strāvu, kā tas bija bipolāri senči, un, izmantojot slēģa elektrisko lauku, faktiski - vienkārši piespiežot slēģi spriegumam.

Tā rezultātā līdz 2000. gadu sākumam MOSFET un IGBT jaudas ierīču īpatsvars bija aptuveni 30%, bet bipolārie tranzistori enerģijas elektronikā palika mazāki par 20%. Pēdējo 15 gadu laikā ir noticis vēl nozīmīgāks izrāviens, un klasiskie bipolārie tranzistori gandrīz pilnībā padevās MOSFET un IGBT vadāmo jaudas pusvadītāju slēdžu segmentā.

Projektēšana, piemēram, augstfrekvences jaudas pārveidotājs, izstrādātājs jau izvēlas starp MOSFET un IGBT - tos abus kontrolē spriegums, kas tiek pielikts vārtiem, nevis strāva, piemēram, bipolārie tranzistori, un rezultātā vadības ķēdes ir vienkāršākas. Ļaujiet mums tomēr apsvērt šo ļoti tranzistoru īpašības, ko kontrolē vārtu spriegums.

MOSFET vai IGBT

IGBT (IGBT bipolārais tranzistors ar izolētiem vārtiem) atvērtā stāvoklī darba strāva iet caur p-n krustojumu, bet MOSFET - caur kanalizācijas avota kanālu, kam ir pretestības raksturs. Tātad šīm ierīcēm enerģijas izkliedes iespējas ir atšķirīgas, zudumi ir atšķirīgi: MOSFET lauka darbiniekam izkliedētā jauda būs proporcionāla caur kanālu esošās strāvas kvadrātam un kanāla pretestībai, savukārt IGBT izkliedētā jauda būs proporcionāla kolektora-emitētāja piesātinājuma spriegumam un strāvai caur kanālu. pirmajā pakāpē.

Ja mums ir jāsamazina atslēgu zudumi, mums būs jāizvēlas MOSFET ar zemāku kanāla pretestību, taču neaizmirstiet, ka, palielinoties pusvadītāju temperatūrai, šī pretestība palielināsies un sildīšanas zudumi joprojām palielināsies. Bet ar IGBT, palielinoties temperatūrai, pn krustojuma piesātinājuma spriegums, gluži pretēji, samazinās, kas nozīmē, ka samazinās apkures zudumi.

Bet ne viss ir tik elementāri, kā varētu šķist spēka elektronikā nepieredzējuša cilvēka redzeslokā. Zaudējumu noteikšanas mehānismi IGBT un MOSFET ir pilnīgi atšķirīgi.

Kā jūs saprotat, MOSFET tranzistorā kanāla pretestība vadošā stāvoklī tam rada noteiktus jaudas zudumus, kas saskaņā ar statistiku ir gandrīz 4 reizes lielāki par vārtu vadībai iztērēto jaudu.

Ar IGBT situācija ir tieši pretēja: zaudējumi pārejai ir mazāki, bet enerģijas izmaksas pārvaldībai ir lielākas. Mēs runājam par frekvencēm, kas ir aptuveni 60 kHz, un jo augstāka ir frekvence, jo lielāki ir vārtu vadības zudumi, īpaši attiecībā uz IGBT.

Lieta ir tāda, ka MOSFET minoritāšu nesēji nav rekombinēti, kā tas ir IGBT gadījumā, kurā ietilpst MOSFET lauka efekta tranzistors, kas nosaka atvēršanas ātrumu, bet kur bāze nav tieši pieejama, un procesu nav iespējams paātrināt, izmantojot ārējās shēmas.Tā rezultātā IGBT dinamiskās īpašības ir ierobežotas, un maksimālā darbības frekvence ir ierobežota.

Palielinot pārvades koeficientu un pazeminot piesātinājuma spriegumu, pieņemsim, ka mēs pazeminām statiskos zaudējumus, bet pārslēgšanas laikā tos palielinām. Šī iemesla dēļ IGBT ražotāji savu ierīču dokumentācijā norāda optimālo frekvenci un maksimālo pārslēgšanās ātrumu.

MOSFET ir trūkums. Tās iekšējo diodi raksturo ierobežots reversās atkopšanas laiks, kas vienā vai otrā veidā pārsniedz atjaunošanas laiku, kas raksturīgs iekšējām anti-paralēlām IGBT diodēm. Tā rezultātā mums ir komutācijas zudumi un MOSFET pašreizējās pārslodzes pus tilta shēmās.

Tagad tieši par izkliedēto siltumu. Pusvadītāja IGBT struktūras laukums ir lielāks nekā MOSFET, tāpēc IGBT izkliedētā jauda ir lielāka, tomēr taustiņa darbības laikā pārejas temperatūra palielinās intensīvāk, tāpēc ir svarīgi pareizi izvēlēties radiatoru uz atslēgu, pareizi aprēķinot siltuma plūsmu, ņemot vērā visu robežu siltumizturību. montāža.

MOSFET ierīcēm ir arī lielāki sildīšanas zudumi ar lielu jaudu, kas ievērojami pārsniedz IGBT slēdža zudumus. Ar jaudu virs 300–500 W un ar frekvencēm 20–30 kHz frekvencē dominēs IGBT tranzistori.

Parasti katram uzdevumam viņi izvēlas savu atslēgas veidu, un par šo aspektu ir raksturīgi daži uzskati. MOSFET ir piemēroti darbībai frekvencēs virs 20 kHz ar barošanas spriegumu līdz 300 V - lādētāji, komutācijas barošanas bloki, kompakti invertori ar mazu jaudu utt. - vairums no tiem šodien tiek samontēti MOSFET.

IGBT labi darbojas frekvencēs līdz 20 kHz ar barošanas spriegumu 1000 volti vai vairāk - frekvences pārveidotāji, UPS utt. - tie ir IGBT tranzistoru barošanas iekārtu zemfrekvences segmenti.

Starpposma nišā - no 300 līdz 1000 voltiem, ar frekvencēm aptuveni 10 kHz - atbilstošās tehnoloģijas pusvadītāju slēdžu izvēli veic tīri individuāli, nosverot plusus un mīnusus, ieskaitot cenu, izmērus, efektivitāti un citus faktorus.

Tikmēr nav iespējams viennozīmīgi pateikt, ka vienā tipiskā situācijā IGBT ir piemērots, bet otrā - tikai MOSFET. Ir nepieciešams visaptveroši tuvināties katras konkrētās ierīces izstrādei. Balstoties uz ierīces jaudu, darbības režīmu, aprēķināto termisko režīmu, pieļaujamajiem izmēriem, vadības ķēdes īpašībām utt.

Un pats galvenais - izvēloties vēlamā tipa atslēgas, izstrādātājam ir svarīgi precīzi noteikt to parametrus, jo tehniskajā dokumentācijā (datu lapā) ne vienmēr viss ir precīzi patiess. Jo precīzāk ir zināmi parametri, jo efektīvāks un uzticamāks produkts izrādīsies, neatkarīgi no tā, vai tas ir IGBT vai MOSFET.

Skatīt arī:Bipolāri un lauka efektu tranzistori - kāda ir atšķirība