Toiteelektroonika kiiresti arenevas valdkonnas on tõhususe, töökindluse ja jõudluse saavutamiseks kriitilise tähtsusega õige lülitusseadme valimine. Suure võimsusega rakenduste osas domineerivad maastikus kaks peamist kandidaati: Isoleeritud värava bipolaarne transistor (IGBT) ja metalli-oksiidi-semikudori välja-efektide transistor (MOSFET). Ehkki mõlemad teenivad elektrienergia vahetamise ja juhtimise eesmärki, töötavad nad sõltuvalt rakendusest üsna erinevalt ja pakuvad ainulaadseid eeliseid. Nende omaduste mõistmine on inseneridele ja süsteemidisaineritele hädavajalik, kui valida nende konkreetsete nõuete jaoks kõige sobivam komponent.
Sukeldugem sügavalt, kuidas IGBT-d ja MOSFET-i töötavad, nende eelised ja piirangud ning millal kasutada neid suure võimsusega rakendustes.
MOSFETSi ja IGBT -de põhialused
MOSFET-id on pingega kontrollitud seadmed, mis võimaldavad voolu voolust allikani voolata, kui väravale kantakse pinge. Nad töötavad pigem elektrivälja kui kanduri sissepritse kaudu, mis muudab nad vahetamise jaoks eriti kiireks ja sobivaks kõrgsageduslikeks toiminguteks. MOSFET-i üks määratlevaid omadusi on nende madala väravavoolu nõue, kõrge sisendtakistus ja lineaarne takistuskäitumine oleku ajal. See muudab need populaarseks rakendustes, kus kiirus ja kontrolli lihtsus on ülioluline.
IGBTS seevastu on MOSFETi ja Bipolaarse ristmike transistori (BJT) tehnoloogiate hübriid. Nad kasutavad juhtimiseks MOS -värava struktuuri, kuid haldavad voolu bipolaarsel viisil. See struktuur võimaldab IGBT -d , et ühendada MOSFET -i hõlpsad ajamiomadused BJT -de kõrge voolu- ja pingekäitlusvõimalusega. Selle tulemusel võivad IGBT -d vahetada suhteliselt väikeste väravavooludega suuri koguseid, kuid nende lülituskiirus on MOSFET -dega võrreldes aeglasem.
Pinge ja praegune käitlemine
Pinge ja vooluhinnangud on kõige kriitilisemate parameetrite hulgas, kui otsustatakse, kas kasutada MOSFETi või IGBT. Üldiselt on MOSFETS tõhusamad ja praktilisemad rakenduste jaoks, mille pinged on alla 250–300 volti. Nende riigisisene takistus (RDS (ON)) on selles vahemikus madal, mis tagab minimaalse juhtivuse kaotuse ja tõhusa töö.
Kuid pinge suurenedes tõuseb ka MOSFET-i resistentsus märkimisväärselt, põhjustades suurema võimsuse hajumise. See on koht, kus IGBTS särab. IGBT -d käsitlevad kõrgeid pingeid - tavaliselt 400 volti kuni üle 1200 volti -, mis on parem kui MOSFETS. Takistusliku juhtivuse asemel on neil olekus fikseeritud pinge langus (tavaliselt umbes 1,5–2,5 volti), mis muudab need kõrgepinge stsenaariumide jaoks etteaimatavamaks ja tõhusamaks.
Niisiis, töötades madalama pingesüsteemiga, mis nõuavad kiiret reageerimist ja madalaid kahjusid, on MOSFETS-i valik. Keskmise ja kõrgepinge süsteemide, eriti oluliste praeguste nõuetega inimeste jaoks pakuvad IGBT-d paremat tõhusust ja jõudlust.
Kiiruse kaalutluste vahetamine
MOSFET -id on lülituskiiruse osas serv. Need on võimelised töötama sagedustel üle 100 kHz, mis muudab need ideaalseks kasutamiseks toiteallikates, DC-DC muundurites ja D-klassi heli võimendites. Vähemuste kandja süstimise puudumine võimaldab neil kiiresti vahetada ilma rekombinatsiooniga seotud viivitusteta.
Ehkki IGBTS, ehkki mõistlikult kiire, kogevad ümberlülitamise ajal nn 'sabavoolu'. See tuleneb seadme triivi piirkonnas salvestatud laengust ja piirab nende lülitussagedust enamikus praktilistes rakendustes umbes 20–30 kHz. Kui muret tekitatakse kadude ja elektromagnetiliste häirete (EMI), eriti kiirete rakenduste puhul, sobiks MOSFET paremini.
Kuid paljudes tööstuslikes ja autotööstussüsteemides-näiteks mootori draivid või elektrisõidukite muundurid-on vähenemissagedused suhteliselt madalad ning kiire lülitumise eelised kaalub üles IGBT kõrgem voolu- ja pingekäitlus.
Juhtivuse kaotused ja tõhusus
Elektroonika tõhusus sõltub suuresti sellest, kui palju energiat juhtivuse ja vahetamise ajal kaob. MOSFET-i puhul on juhtivuse kadu võrdeline voolu ruuduga, mis on korrutatud riigi takistusega. See tähendab, et voolu suurenedes suureneb juhtivuse kadu kiiresti, kui ei kasutata madalaid RDS (ON) MOSFET -i.
IGBT-del on seevastu peaaegu pidev juhtivuse kadu, mis on määratletud pingelangusega kogu sisselülitamisel koguja-emitteri terminalidel. See langus ei varieeru märkimisväärselt vooluga, mis tähendab, et IGBT -d on kõrgemal voolu tasemel tõhusam, hoolimata nende aeglasemast lülituskiirusest.
Madalamatel vooludel ja pingetel on MOSFETS üldiselt tõhusamad. Kuid kui energiatase tõuseb - eriti üle 10 kilovati - hakkavad IGBT -d madalama juhtivuse kaotuse ja parema soojusliku jõudluse tõttu MOSFET -i edestama.
Soojusjuhtimine ja energiatihedus
Kuumuse haldamine on elektrienergia peamine kaalutlus. Madalamad lülituskaod MOSFET -id vähese pingega põhjustab vähem soojuse genereerimist, mis omakorda lihtsustab jahutusnõudeid. Lisaks aitavad nende väiksem stantsi suurus ja kompaktne pakend kosmosepiirangute disainilahenduste suuremale võimsustihedusele.
Teisest küljest saavad IGBT -d paremini hakkama saada parema termilise stabiilsusega, ehkki need tekitavad lülituse ajal rohkem soojust. Seetõttu vajavad IGBT -sid kasutavad süsteemid sageli keerukamaid jahutuslahendusi, näiteks suuremad jahutus- või aktiivsed jahutusmeetodid.
Siin on kompromiss selge: kui rakendus nõuab kompaktsust ja tõhusust madalamatel pingetel, on MOSFETS parem. Kuid suure võimsusega ja suurepingekoormate käitlemisel pakuvad IGBT-d suurepärast soojuslikku vastupidavust, kui on olemas korralik soojusjuhtimine.
Gate Drive ja Control keerukus
Nii IGBT-d kui ka MOSFETS on pingepõhised seadmed ega vaja erinevalt BJT-dest juhtivuse säilitamiseks pidevat voolu. Kuid MOSFET -id vajavad tavaliselt madalama värava pingeid (umbes 10 V või vähem) ja nende väravalaeng on väiksem, võimaldades lihtsamat ja kiiremat ajami vooluringi.
IGBT -d vajavad sageli pisut suuremat väravapinget (tavaliselt ± 15 V täielikuks vahetamiseks) ja nende väravalaeng on suurem. See nõuab väravajuhi hoolikamat kujundamist, eriti kiirete lülituste või kõrgepingerakenduste korral, kus müra immuunsus ja ajastus on kriitilised.
Nendest erinevustest hoolimata on mõlema jaoks värava draivi nõuded moodsate integreeritud vooluahelatega hallatavad, ehkki MOSFET-i peetakse üldiselt hõlpsamini rakendatavaks algajasõbralikes või kulutundlikes disainilahendustes.
Rakenduse sobivus
MOSFete kasutatakse laialdaselt rakendustes, kus lülituskiirus on prioriteet ja pingetasemed on suhteliselt madalad. Nende hulka kuuluvad Buck and Boost Converters, LED-draiverid, kaasaskantavad elektroonika ja madala pingega mootori kontrollerid. Nende tõhusus, väiksus ja lihtne kontroll muudavad need ideaalseks tarbijaseadmete ja toiteallikate jaoks.
IGBT -d domineerivad rakendustes, kus on vaja kõrgepinget ja kõrge vooluvõimalusi. Näited hõlmavad tööstuslikke mootoreid, HVAC -süsteeme, elektrisõidukite muundurid, keevitusseadmed ja päikeseenergia muundurid. Need süsteemid saavad kasu IGBT vastupidavusest ja võimest käsitleda olulist elektripinget ilma töökindlust kahjustamata.
Näiteks elektrisõidukites leidub IGBT -sid sageli veojõu muundurites ja akuhaldussüsteemides, eriti 400 V või kõrgema akuarhitektuuriga süsteemides. Kui SIC MOSFETS on selles ruumis oma suure tõhususe tõttu hakanud konkureerima, on IGBTS endiselt paljude suure võimsusega autotööstuse jaoks populaarne ja kulutõhus valik.
Tekkivad suundumused: laia ribaga tehnoloogiad
Kuigi MOSFET ja IGBT -arutelu on endiselt asjakohane, nihutab laia ribalaiuse pooljuhtide ilmnemine maastikku. Ränikarbiidi (sic) mosfetid ja galliumnitriidi (GAN) transistorid pakuvad kõrgemat jaotuspinget, madalamat lülituskadu ja paremat soojusjuhtivust kui nende ränipõhistel kolleegidel.
Näiteks SIC MOSFETS on võimelised käitlema väga kiire lülituskiirusega kõrgeid pingeid, muutes need tugevaks kandidaadid IGBT -de vastu vahemikus 600 V kuni 1200 V. Ehkki praegu on kallim, on hinnalõhe, kui lapsendamine suureneb.
Need tehnoloogiad on eriti atraktiivsed tipptasemel valdkondades nagu lennundus, EV kiire laadimine ja taastuvenergia, kus tõhusus ja jõudlus on lisakulusid väärt. Kuid paljude äriliste ja tööstuslike rakenduste jaoks on räni MosFets ja IGBT -d siiski kõige praktilisemad.
Lõplikud mõtted: õige valiku tegemine
IGBT ja MOSFETi vahel valimine ei ole kõigile sobiv otsus. See sõltub teie rakenduse konkreetsetest nõudmistest, sealhulgas pinget ja praegust taset, lülitussagedust, soojuspiiranguid, kulupiiranguid ja süsteemi üldist keerukust.
Kui teie rakendus hõlmab suhteliselt madalat pinget ja suurt lülituskiirust, on MOSFET tõenäoliselt parim valik. See pakub paremat tõhusust, lihtsamat juhtimist ja madalamat EMI -d. Kuid kui teie süsteem töötab kõrgepinge ja voolu korral, eriti kui lülituskiirus on vähem kriitiline, pakub IGBT paremat soojuslikku jõudlust, töökindlust ja üldist tõhusust.
Iga seadme töötugevuste mõistmine võimaldab inseneridel teha teadlikke disainivalikuid, optimeerides jõudlust, minimeerides samal ajal kaotusi, kulusid ja süsteemi suurust. Kuna tehnoloogia edasi areneb, eriti kui peavoolu sisenevad laia ribalaiusega pooljuhid, on inseneridel nende käsutuses veelgi võimsamad tööriistad, et täita järgmise põlvkonna energiasüsteemide nõudmisi.
