ทรานซิสเตอร์พลังงาน MOSFET และ IGBT ความแตกต่างและคุณสมบัติของแอพพลิเคชั่น

เทคโนโลยีในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง รีเลย์กลายเป็นสถานะของแข็ง, ทรานซิสเตอร์สองขั้วและไทริสเตอร์จะถูกแทนที่อย่างกว้างขวางมากขึ้นโดยทรานซิสเตอร์ภาคสนาม, วัสดุใหม่ได้รับการพัฒนาและนำไปใช้ในตัวเก็บประจุ, ฯลฯ - วิวัฒนาการทางเทคโนโลยีที่ใช้งานอยู่สามารถมองเห็นได้ทุกที่ อะไรคือสาเหตุของสิ่งนี้?

เห็นได้ชัดว่าเป็นเพราะผู้ผลิตในบางจุดไม่สามารถตอบสนองคำขอของผู้บริโภคสำหรับความสามารถและคุณภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงาน: รีเลย์ประกายไฟและการเผาไหม้หน้าสัมผัสทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ต้องการพลังงานในการควบคุมมากเกินไป มีพื้นที่เยอะ ฯลฯ ผู้ผลิตแข่งขันกันเอง - ใครจะเป็นคนแรกที่เสนอทางเลือกที่ดีที่สุด ... ?

ดังนั้นสนาม MOSFET ทรานซิสเตอร์ปรากฏขึ้นขอบคุณที่การควบคุมการไหลของผู้ให้บริการที่เป็นไปได้ไม่ได้โดยการเปลี่ยนกระแสฐานในขณะที่ บรรพบุรุษสองขั้วและโดยวิธีการของสนามไฟฟ้าของชัตเตอร์ในความเป็นจริง - เพียงแค่ใช้แรงดันไฟฟ้ากับชัตเตอร์

เป็นผลให้โดยจุดเริ่มต้นของยุค 2000 ส่วนแบ่งของอุปกรณ์ไฟฟ้าใน MOSFET และ IGBT ประมาณ 30% ในขณะที่ทรานซิสเตอร์สองขั้วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังยังคงน้อยกว่า 20% ในช่วง 15 ปีที่ผ่านมามีการพัฒนาที่สำคัญยิ่งกว่าและ ทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบคลาสสิก เกือบจะให้ทางกับ MOSFET และ IGBT ในส่วนของสวิตช์ควบคุมสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า

ตัวอย่างเช่นการออกแบบ เครื่องแปลงไฟความถี่สูงผู้พัฒนาเลือกระหว่าง MOSFET และ IGBT ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ควบคุมโดยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับเกทและไม่ใช่กระแสเช่นทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์และวงจรควบคุมนั้นเป็นผลที่ง่ายกว่า อย่างไรก็ตามให้เราพิจารณาคุณสมบัติของทรานซิสเตอร์ที่ควบคุมโดยแรงดันเกท

MOSFET หรือ IGBT

ใน IGBT (IGBT ทรานซิสเตอร์สองขั้วที่มีเกตหุ้มฉนวน) ในสถานะเปิดกระแสไฟฟ้าที่ทำงานผ่านทางแยก p-n และใน MOSFET - ผ่านช่องทางระบายแหล่งซึ่งมีตัวต้านทาน ที่นี่ความเป็นไปได้สำหรับการกระจายพลังงานจะแตกต่างกันสำหรับอุปกรณ์เหล่านี้การสูญเสียจะแตกต่างกัน: สำหรับอุปกรณ์สนาม MOSFET กำลังงานที่กระจายจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของช่องทางและความต้านทานของช่องในขณะที่ IGBT ในระดับแรก

หากเราต้องการลดการสูญเสียที่สำคัญเราจะต้องเลือก MOSFET ที่มีความต้านทานช่องสัญญาณที่ต่ำกว่า แต่อย่าลืมว่าด้วยการเพิ่มอุณหภูมิเซมิคอนดักเตอร์ความต้านทานนี้จะเพิ่มขึ้นและการสูญเสียความร้อนจะเพิ่มขึ้น แต่ด้วย IGBT เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวของจุดแยก pn จะลดลงซึ่งหมายความว่าการสูญเสียความร้อนจะลดลง

แต่ทุกอย่างไม่ได้เป็นระดับประถมศึกษาเท่าที่มันอาจจะเห็นภาพของคนที่ไม่มีประสบการณ์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง กลไกในการพิจารณาความสูญเสียใน IGBT และ MOSFET นั้นแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

ดังที่คุณเข้าใจในทรานซิสเตอร์ MOSFET ความต้านทานของช่องในสถานะนำไฟฟ้าทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานบางอย่างซึ่งตามสถิตินั้นสูงกว่าพลังงานที่ใช้ในการควบคุมประตูเกือบ 4 เท่า

ด้วย IGBT สถานการณ์ตรงข้ามอย่างแน่นอน: ความสูญเสียจากการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า แต่ต้นทุนด้านพลังงานสำหรับการจัดการนั้นสูงกว่า เรากำลังพูดถึงความถี่ของคำสั่งของ 60 kHz และความถี่ที่สูงกว่าการสูญเสียการควบคุมประตูมากขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวกับ IGBT

สิ่งนี้คือในผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยของ MOSFET ไม่รวมตัวกันอีกเช่นในกรณี IGBT ซึ่งรวมถึงทรานซิสเตอร์สนามผล MOSFET ที่กำหนดความเร็วในการเปิด แต่ที่ฐานไม่สามารถเข้าถึงได้โดยตรงและเป็นไปไม่ได้ที่จะเร่งกระบวนการโดยใช้วงจรภายนอกดังนั้นคุณสมบัติแบบไดนามิกของ IGBT จึงถูก จำกัด และความถี่ในการใช้งานสูงสุดจะถูก จำกัด

โดยการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การส่งและลดแรงดันไฟฟ้าอิ่มตัวให้สมมุติว่าเราลดการสูญเสียสถิต แต่จากนั้นเราจะเพิ่มการสูญเสียระหว่างการสลับ ด้วยเหตุผลนี้ผู้ผลิต IGBT จึงระบุไว้ในเอกสารประกอบสำหรับอุปกรณ์ของพวกเขาเกี่ยวกับความถี่ที่เหมาะสมและความเร็วในการเปลี่ยนสูงสุด

มีข้อเสียคือ MOSFET ไดโอดภายในนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยเวลาการกู้คืนแบบ จำกัด ซึ่งไม่ทางใดก็ทางหนึ่งเกินกว่าคุณลักษณะการกู้คืนเวลาของไดโอด IGBT แบบป้องกันภายในขนาน เป็นผลให้เรามีการสลับการสูญเสียและโอเวอร์โหลดปัจจุบันของ MOSFET ในวงจรครึ่งสะพาน

ตอนนี้โดยตรงเกี่ยวกับความร้อนที่กระจาย พื้นที่ของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์ IGBT มีขนาดใหญ่กว่าของมอสเฟตดังนั้นกำลังงานที่กระจายของ IGBT จะยิ่งใหญ่กว่าอย่างไรก็ตามอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านจะเพิ่มขึ้นอย่างหนาแน่นมากขึ้นในระหว่างการทำงานของปุ่มดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องเลือกหม้อน้ำ การชุมนุม

MOSFET ยังมีการสูญเสียความร้อนที่สูงกว่าด้วยพลังงานสูงซึ่งสูงกว่าการสูญเสียชัตเตอร์ IGBT ด้วยความจุสูงกว่า 300-500W และที่ความถี่ในพื้นที่ 20-30 kHz ทรานซิสเตอร์ IGBT จะเหนือกว่า

โดยทั่วไปสำหรับแต่ละงานที่พวกเขาเลือกชนิดของคีย์ของตนเองและมีมุมมองทั่วไปบางอย่างในด้านนี้ MOSFET เหมาะสำหรับการทำงานที่ความถี่สูงกว่า 20 kHz พร้อมแรงดันไฟฟ้าที่จัดหาได้ถึง 300 V - ชาร์จ, การเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัดที่ใช้พลังงานต่ำ ฯลฯ - ส่วนใหญ่ประกอบกันใน MOSFET

IGBT ทำงานได้ดีที่ความถี่สูงถึง 20 kHz พร้อมแรงดันไฟฟ้าที่จัดหา 1,000 โวลต์หรือมากกว่า - ตัวแปลงความถี่ UPS และอื่น ๆ - เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าความถี่ต่ำสำหรับทรานซิสเตอร์ IGBT

ในช่องกลาง - จาก 300 ถึง 1,000 โวลต์ที่ความถี่ของการสั่ง 10 kHz - การเลือกสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์ของเทคโนโลยีที่เหมาะสมจะดำเนินการเป็นรายบุคคลอย่างหมดจดชั่งน้ำหนักข้อดีและข้อเสียรวมถึงราคาขนาดประสิทธิภาพและปัจจัยอื่น ๆ

ในขณะเดียวกันก็เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอย่างแจ่มแจ้งว่าในสถานการณ์ปกติหนึ่งสถานการณ์ IGBT เหมาะสมและในอีกอย่างหนึ่งคือ MOSFET เท่านั้น มีความจำเป็นต้องเข้าใกล้การพัฒนาอุปกรณ์เฉพาะแต่ละอย่างอย่างครอบคลุม ขึ้นอยู่กับพลังงานของอุปกรณ์โหมดการทำงานของระบบการระบายความร้อนโดยประมาณขนาดที่ยอมรับได้คุณสมบัติของวงจรควบคุม ฯลฯ

และที่สำคัญที่สุด - เมื่อเลือกคีย์ประเภทที่ต้องการเป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักพัฒนาในการกำหนดพารามิเตอร์ของพวกเขาอย่างแม่นยำเพราะในเอกสารทางเทคนิค (ในแผ่นข้อมูล) ไม่ใช่ทุกอย่างที่เป็นจริงเสมอไป ยิ่งรู้จักพารามิเตอร์มากเท่าไรผลิตภัณฑ์ก็จะมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้นไม่ว่าจะเป็น IGBT หรือ MOSFET

ดูเพิ่มเติมที่:ทรานซิสเตอร์สองขั้วและสนามผล - ความแตกต่างคืออะไร