V rychle se vyvíjejícím poli energetické elektroniky je výběr pravého přepínacího zařízení rozhodující pro dosažení účinnosti, spolehlivosti a výkonu. Krajinu dominují dva hlavní uchazeči, pokud jde o vysoce výkonné aplikace: Izolovaný bipolární tranzistor brány (IGBT) a tranzistor polního efektu-efektu kovového oxidu (MOSFET). Ačkoli oba slouží účelu přepínání a kontroly elektrické energie, pracují zcela odlišně a nabízejí jedinečné výhody v závislosti na aplikaci. Pochopení jejich charakteristik je nezbytné pro inženýry a návrháře systémů při výběru nejvhodnější komponenty pro jejich specifické požadavky.
Pojďme se hluboce ponořit do toho, jak fungují IGBTS a MOSFETS, jejich výhody a omezení a kdy každý používat ve vysoce výkonných aplikacích.
Základy MOSFETS a IGBTS
MOSFETS jsou zařízení řízená napětí, která umožňují proudu proudit z odtoku do zdroje, když je napětí napětí na bránu. Působí spíše prostřednictvím elektrického pole než vstřikování nosiče, což je velmi rychle přiměje k přepínání a vhodným pro vysokofrekvenční operace. Jedním z definujících rysů MOSFETS je jejich požadavek na nízký proud brány, vysoká impedance vstupu a chování lineárního odporu, když jsou ve státě. Díky tomu jsou v aplikacích, kde jsou rychlost a kontrola jednoduchosti rozhodující.
IGBTS, na druhé straně, jsou hybridem technologií MOSFET a bipolárních spojovacích tranzistorů (BJT). Využívají strukturu brány MOS pro ovládání, ale řídí proud bipolárním způsobem. Tato struktura umožňuje IGBT pro kombinování vlastností snadných pohonů MOSFET s vysokým proudem a manipulačními schopnostmi napětí BJTS. Výsledkem je, že IGBTS může přepínat velké množství energie s relativně malými proudy brány, ale jejich přepínací rychlost je ve srovnání s MOSFETS pomalejší.
Napětí a manipulace s proudem
Hodnocení napětí a proudu patří mezi nejdůležitější parametry při rozhodování o tom, zda použít MOSFET nebo IGBT. Obecně lze říci, že MOSFET jsou účinnější a praktičtější pro aplikace s napětím pod 250 až 300 V. Jejich rezistence na statu (RDS (ON)) zůstává v tomto rozmezí nízká, což zajišťuje minimální ztráty vedení a efektivní provoz.
Jak se však napětí zvyšuje, výrazně roste také odolnost MOSFET, což vede k vyššímu rozptylu energie. To je místo, kde IGBTS svítí. IGBT zpracovávají vysoká napětí - typicky od 400 voltů do více než 1200 voltů - mnohem lepší než MOSFETS. Namísto odporového vedení vykazují v statusu pevný pokles napětí (obvykle kolem 1,5 až 2,5 voltů), což je činí předvídatelnější a efektivnější pro scénáře vysokého napětí.
Při práci s systémy s nižším napětím, které vyžadují rychlou reakci a nízké ztráty, jsou MOSFET výběrem. U systémů středního až vysokého napětí, zejména těch, které mají značné stávající požadavky, poskytují IGBT lepší účinnost a výkon.
Úvahy o přepínání rychlosti
MOSFETS mají hranu, pokud jde o přepínání. Jsou schopny pracovat na frekvencích výrazně nad 100 kHz, což z nich činí ideální pro použití v napájecích zdrojích, DC-DC převodnících a zvukových zesilovačích třídy D. Absence injekce nosiče menšin jim umožňuje rychle přepínat bez zpoždění spojených s rekombinací.
IGBTS, i když přiměřeně rychlé, zažijte to, co se nazývá 'ocasní proud ' během vypnutí. To je výsledkem uloženého náboje v driftové oblasti zařízení a omezuje jejich přepínací frekvenci na někde kolem 20 až 30 kHz ve většině praktických aplikací. Pokud by ztráty přepínání a elektromagnetické rušení (EMI) byly problémem, zejména ve vysokorychlostních aplikacích, MOSFET by byl lepší.
V mnoha průmyslových a automobilových systémech-například motorové jednotky nebo střídače elektrických vozidel-jsou však frekvence přepínání relativně nízké a výhody vysokorychlostního přepínání převáží nadřazený proud IGBT a manipulací s napětím.
Ztráty a účinnost vedení
Účinnost energetické elektroniky do značné míry závisí na tom, kolik energie se při vedení a přepínání ztratí. U MOSFETS je ztráta vodivosti úměrná čtverci současného násobného odporem ve státě. To znamená, že se zvyšováním proudu se ztráty vedení rychle zvyšují, pokud se nepoužívají nízké RDS (ON) MOSFET.
Naproti tomu IGBTS mají téměř konstantní ztrátu vodivosti definovanou poklesem napětí napříč terminály emiter s kolektorem, když jsou zapnuto. Tento pokles se významně neliší s proudem, což znamená, že IGBT mají tendenci být efektivnější na vyšších proudových úrovních navzdory jejich pomalejší rychlosti přepínání.
Při nižších proudech a napětí jsou MOSFETS obecně efektivnější. Ale jak se hladiny výkonu zvyšují - zejména nad 10 kilowattů - začnou překonávat MOSFETS kvůli jejich nižším ztrátám vedení a lepší tepelný výkon.
Termální řízení a hustota energie
Správa tepla je vždy klíčovým hlediskem v energetické elektronice. Nižší ztráty přepínání MOSFETS při nízkém napětí má za následek menší tvorbu tepla, což zase zjednodušuje požadavky na chlazení. Jejich menší velikost a kompaktní obaly navíc přispívají k vyšší hustotě výkonu v návrzích omezených na vesmírné.
Na druhé straně IGBT dokáže zvládnout větší úrovně výkonu s lepší tepelnou stabilitou, i když během přepínání generují více tepla. Systémy používající IGBT proto často vyžadují pokročilejší chladicí roztoky, jako jsou větší chladicí linky nebo aktivní metody chlazení.
Kompromis je zde jasný: pokud aplikace vyžaduje kompaktnost a účinnost při nižších napětích, MOSFET jsou lepší. Při manipulaci s vysokým výkonem a vysokým napětím však IGBT nabízejí vynikající tepelnou vytrvalost za předpokladu, že je zavedeno správné tepelné řízení.
Složitost řízení a kontroly brány a kontrolu složitosti
IGBT i MOSFETS jsou zařízení poháněná napětí a nevyžadují kontinuální proud, aby se udržovaly vedení, na rozdíl od BJT. MOSFET však obvykle vyžadují nižší napětí brány (přibližně 10 V nebo méně) a jejich nabití brány je menší, což umožňuje jednodušší a rychlejší obvody pohonu.
IGBT často vyžadují mírně vyšší napětí brány (obvykle ± 15 V pro plné přepínání) a jejich brána je větší. To vyžaduje pečlivější návrh ovladače brány, zejména ve vysokorychlostním přepínacích nebo vysokopěťových aplikacích, kde je imunita a načasování hluku kritické.
Navzdory těmto rozdílům jsou požadavky na bránu pro oba zvládnutelné s moderními integrovanými obvody, i když se MOSFETS obecně považuje za snazší implementovat v návrzích pro začátečníky nebo nákladů.
Vhodnost aplikace
MOSFETS se široce používá v aplikacích, kde je rychlost přepínání prioritou a úrovně napětí jsou relativně nízké. Patří mezi ně převaděče Buck a Boost, ovladače LED, přenosná elektronika a nízkonapěťové motorové regulátory. Díky jejich účinnosti, malé velikosti a jednoduché ovládání jsou ideální pro spotřebitelská zařízení a napájecí obvody.
IGBT jsou dominantní v aplikacích, kde jsou zapotřebí vysokých napětí a schopností vysokého proudu. Příklady zahrnují průmyslové motorové pohony, systémy HVAC, střídače elektrických vozidel, svařovací zařízení a solární střídače. Tyto systémy těží z robustnosti a schopnosti IGBT zvládnout významné elektrické napětí bez ohrožení spolehlivosti.
Například u elektrických vozidel se IGBT často vyskytují v střídačkách trakcí a systémech správy baterií, zejména v systémech s architekturou 400 V nebo vyšší baterie. Zatímco SIC MOSFETS začínají v tomto prostoru soutěžit kvůli jejich vysoké účinnosti, IGBT zůstávají oblíbenou a nákladově efektivní volbou pro mnoho vysoce výkonných automobilových aplikací.
Vznikající trendy: Technologie širokého bandgapu
Zatímco debata MOSFET vs. IGBT je stále relevantní, vznik semicondors Wide Bandgap posouvá krajinu. Tranzistory křemíkového karbidu (SIC) a tranzistory nitridu gallia (GAN) nabízejí vyšší napětí, nižší ztráty přepínání a lepší tepelnou vodivost než jejich protějšky na bázi křemíku.
Například SIC MOSFETS jsou schopny manipulovat s vysokými napětími s velmi rychlými přepínacími rychlostmi, což z nich činí silné uchazeče o IGBT v rozmezí 600V až 1200 V. Ačkoliv je v současné době dražší, mezera cen se se zvyšuje se zvyšováním adopce.
Tyto technologie jsou obzvláště atraktivní v špičkových polích, jako je Aerospace, EV rychlé nabíjení a obnovitelná energie, kde efektivita a výkonnost stojí za dodatečné náklady. U mnoha komerčních a průmyslových aplikací však zůstávají Silicon MOSFETS a IGBT nejpraktičtějšími volbami.
Závěrečné myšlenky: Udělejte správnou volbu
Výběr mezi IGBT a MOSFET není univerzálním rozhodnutím. Závisí to na specifických požadavcích vaší aplikace, včetně napětí a úrovní proudu, frekvenci přepínání, tepelných limitů, omezení nákladů a celkové složitosti systému.
Pokud vaše aplikace zahrnuje relativně nízké napětí a vysokou rychlost přepínání, MOSFET je pravděpodobně nejlepší volbou. Nabízí lepší účinnost, jednodušší kontrolu a nižší EMI. Pokud však váš systém pracuje na vysokém napětí a proudu, zejména tam, kde je rychlost přepínání méně kritická, poskytuje IGBT lepší tepelný výkon, spolehlivost a celkovou účinnost.
Pochopení provozních sil každého zařízení umožňuje inženýrům provádět informovaná rozhodnutí o designu, optimalizovat výkon a zároveň minimalizovat ztráty, náklady a velikost systému. Jak technologie neustále postupuje, zejména s polovodiči širokých bandgap vstupujících do hlavního proudu, inženýři budou mít ještě silnější nástroje, které mají k dispozici, aby splnily požadavky příští generace energetických systémů.
