Мощност MOSFET и IGBT транзистори, разлики и характеристики на тяхното приложение

Технологиите в областта на силовата електроника непрекъснато се усъвършенстват: релета стават в твърдо състояние, биполярните транзистори и тиристори се заменят все по-широко с полеви транзистори, разработват се и се прилагат нови материали в кондензатори и пр. - активната технологична еволюция е ясно видима навсякъде, която не спира една година. Каква е причината за това?

Това очевидно се дължи на факта, че в един момент производителите не са в състояние да задоволят нуждите на потребителите за възможностите и качеството на силовото електронно оборудване: релето искри и изгаря контактите, биполярните транзистори изискват твърде много мощност за контрол, силовите агрегати са неприемливо. много място и т.н. Производителите се състезават помежду си - кой ще бъде първият, който ще предложи най-добрата алтернатива ...?

И така, се появиха полеви MOSFET транзистори, благодарение на които контролът на потока носители на заряд стана възможен не чрез промяна на базовия ток, както в биполярни предци, и чрез електрическото поле на затвора, всъщност - просто се прилага към напрежението на затвора.

В резултат на това до началото на 2000-те делът на силовите устройства в MOSFET и IGBT е около 30%, докато биполярните транзистори в силовата електроника остават по-малко от 20%. През последните 15 години имаше още по-значителен пробив и класически биполярни транзистори почти напълно отстъпи място на MOSFET и IGBT в сегмента на контролните силови полупроводникови превключватели.

Проектиране например високочестотен преобразувател на мощност, разработчикът вече избира между MOSFET и IGBT - и двете се управляват от напрежението, приложено към портата, а не от тока, като биполярните транзистори, а управляващите вериги са по-прости в резултат. Нека обаче да разгледаме характеристиките на тези много транзистори, контролирани от напрежението на портата.

MOSFET или IGBT

При IGBT (IGBT биполярен транзистор с изолирана врата) в отворено състояние, работният ток преминава през p-n разклонението, а в MOSFET - през канала за източване на източника, който има резистивен характер. Така че възможностите за разсейване на мощността са различни за тези устройства, загубите са различни: за полеви служител на MOSFET разсеената мощност ще бъде пропорционална на квадрата на тока през канала и каналното съпротивление, докато за IGBT разсейваната мощност ще бъде пропорционална на напрежението на насищане колектор-емитер и тока през канала в първа степен.

Ако трябва да намалим ключовите загуби, ще трябва да изберем MOSFET с по-ниско съпротивление на канала, но не забравяйте, че с повишаване на температурата на полупроводника това съпротивление ще се увеличи и загубите при отопление ще продължат да се увеличават. Но с IGBT, с повишаване на температурата, напрежението на насищане на pn прехода, напротив, намалява, което означава, че загубите при отопление намаляват.

Но не всичко е толкова елементарно, колкото може да изглежда при вида на човек, неопитен в силовата електроника. Механизмите за определяне на загубите на IGBT и MOSFET са коренно различни.

Както разбирате, в MOSFET транзистор съпротивлението на канала в проводящо състояние причинява определени загуби на мощност върху него, които според статистиката са почти 4 пъти по-големи от мощността, изразходвана за управление на портата.

При IGBT ситуацията е точно обратната: загубите при прехода са по-малки, но енергийните разходи за управление са по-големи. Говорим за честоти от порядъка на 60 kHz и колкото по-висока е честотата, толкова по-голяма е загубата на управление на затвора, особено по отношение на IGBT.

Работата е там, че в MOSFET миноритарните носители не рекомбинират, какъвто е случаят с IGBT, който включва транзистор с полев ефект MOSFET, който определя скоростта на отваряне, но където базата не е пряко достъпна и е невъзможно да се ускори процеса с помощта на външни вериги.В резултат на това динамичните характеристики на IGBT са ограничени, а максималната работна честота е ограничена.

С увеличаване на коефициента на предаване и понижаване на напрежението на насищане, нека да кажем, че намаляваме статичните загуби, но след това увеличаваме загубите по време на превключване. Поради тази причина производителите на IGBT посочват в документацията за своите устройства оптималната честота и максималната скорост на превключване.

Има недостатък при MOSFET. Вътрешният й диод се характеризира с ограничено време за обратно възстановяване, което по един или друг начин надвишава времето за възстановяване, характерно за вътрешните антипаралелни IGBT диоди. В резултат на това имаме загуби от превключване и текущи претоварвания на MOSFET в полумостови вериги.

Сега директно за разсейваната топлина. Площта на полупроводниковата IGBT структура е по-голяма от тази на MOSFET, следователно разсейваната мощност на IGBT е по-голяма, но температурата на прехода се увеличава по-интензивно по време на работа на ключа, следователно е важно да изберете правилно радиатора до ключа, правилно изчисляване на топлинния поток, като се вземе предвид топлинното съпротивление на всички граници сглобяване.

MOSFET също имат по-големи загуби при отопление при голяма мощност, много надвишаващи загубите на затвора IGBT. С капацитет над 300-500W и при честоти в областта от 20-30 kHz, IGBT транзисторите ще преобладават.

По принцип за всяка задача те избират собствен тип ключ и има определени типични мнения за този аспект. MOSFET са подходящи за работа на честоти над 20 kHz с захранващи напрежения до 300 V - Зарядни, превключване на захранващи устройства, компактни инвертори с ниска мощност и др. - по-голямата част от тях са сглобени днес на MOSFET.

IGBT работят добре на честоти до 20 kHz с захранващи напрежения от 1000 волта или повече - честотни преобразуватели, UPS и др. - това са сегментът с нискочестотно захранване за IGBT транзистори.

В междинната ниша - от 300 до 1000 волта, при честоти от порядъка на 10 kHz - изборът на полупроводников превключвател по подходящата технология се извършва чисто индивидуално, като се претеглят плюсовете и минусите, включително цена, размери, ефективност и други фактори.

Междувременно е невъзможно да се каже недвусмислено, че в една типична ситуация IGBT е подходящ, а в другата - само MOSFET. Необходимо е цялостно да се подходи към разработването на всяко конкретно устройство. Въз основа на мощността на устройството, неговия режим на работа, прогнозния термичен режим, приемливи размери, характеристики на веригата за управление и др.

И най-важното - като е избрал ключовете от необходимия тип, за разработчика е важно да определи точно техните параметри, защото в техническата документация (в листа с данни) в никакъв случай не всичко винаги точно отговаря на реалността. Колкото по-точно са известни параметрите, толкова по-ефективен и надежден ще се окаже продуктът, независимо дали е IGBT или MOSFET.

Вижте също:Биполярни и полеви транзистори - каква е разликата