در میدان سریع در حال تحول الکترونیک ، انتخاب دستگاه سوئیچینگ مناسب برای دستیابی به کارآیی ، قابلیت اطمینان و عملکرد بسیار مهم است. دو مدعی اصلی در مورد برنامه های پرقدرت بر چشم انداز حاکم هستند: ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق (IGBT) و ترانزیستور اثر-اثر-اکسید-سیما-هادی (MOSFET). اگرچه هر دو هدف از تعویض و کنترل انرژی الکتریکی را ارائه می دهند ، اما کاملاً متفاوت عمل می کنند و بسته به کاربرد ، مزایای منحصر به فردی را ارائه می دهند. درک ویژگی های آنها برای مهندسان و طراحان سیستم هنگام انتخاب مناسب ترین مؤلفه برای نیازهای خاص آنها ضروری است.
بیایید یک شیرجه عمیق در مورد نحوه کار IGBTS و MOSFET ها ، مزایا و محدودیت های آنها و چه زمانی از هر یک از آنها در برنامه های پر قدرت استفاده کنیم.
اصول MOSFETS و IGBTS
MOSFET دستگاه های کنترل شده با ولتاژ هستند که در صورت اعمال ولتاژ روی دروازه ، جریان را از تخلیه به منبع منتقل می کنند. آنها به جای تزریق حامل از طریق یک میدان الکتریکی کار می کنند ، که باعث می شود آنها در تعویض بسیار سریع و مناسب برای عملیات با فرکانس بالا باشند. یکی از ویژگی های تعیین کننده MOSFETS نیاز جریان کم دروازه آنها ، امپدانس ورودی بالا و رفتار مقاومت خطی در هنگام ورود به سیستم است. این باعث می شود آنها در برنامه هایی که سرعت و سادگی کنترل بسیار مهم است ، محبوب شود.
از طرف دیگر ، IGBT ها ترکیبی از فن آوری های ترانزیستور اتصال MOSFET و دو قطبی (BJT) هستند. آنها از یک ساختار دروازه MOS برای کنترل استفاده می کنند اما جریان را به صورت دو قطبی کنترل می کنند. این ساختار اجازه می دهد IGBTS برای ترکیب ویژگی های درایو آسان MOSFET ها با قابلیت حمل ولتاژ بالا و ولتاژ بالا BJTS. در نتیجه ، IGBT ها می توانند مقادیر زیادی از قدرت را با جریانهای دروازه نسبتاً کوچک تغییر دهند ، اما سرعت تعویض آنها در مقایسه با MOSFET ها کندتر است.
ولتاژ و کاربری فعلی
ولتاژ و رتبه بندی های فعلی از مهمترین پارامترها در تصمیم گیری در مورد استفاده از MOSFET یا IGBT هستند. به طور کلی ، MOSFET برای برنامه های کاربردی با ولتاژ زیر 250 تا 300 ولت کارآمدتر و کارآمدتر است. مقاومت در برابر دولت آنها (RDS (ON)) در این محدوده کم است ، که حداقل تلفات هدایت و عملکرد کارآمد را تضمین می کند.
با این حال ، با افزایش ولتاژ ، مقاومت در برابر MOSFET ها نیز به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و منجر به اتلاف توان بالاتر می شود. اینجاست که IGBTS می درخشد. IGBT ها ولتاژهای بالایی را دارند - به طور معمول از 400 ولت به بیش از 1200 ولت - بسیار بهتر از MOSFETS. آنها به جای هدایت مقاومت ، افت ولتاژ ثابت (معمولاً در حدود 1.5 تا 2.5 ولت) را در حالت داخلی نشان می دهند ، که باعث می شود آنها برای سناریوهای ولتاژ بالا قابل پیش بینی تر و کارآمدتر باشند.
بنابراین ، هنگام کار با سیستم های ولتاژ پایین که نیاز به پاسخ سریع و ضرر کم دارند ، MOSFET ها انتخابی هستند. برای سیستم های ولتاژ متوسط و بالا ، به ویژه آنهایی که نیازهای فعلی قابل توجهی دارند ، IGBT ها کارایی و عملکرد بهتری را ارائه می دهند.
تعویض ملاحظات سرعت
MOSFET از نظر سرعت تعویض لبه دارد. آنها قادر به کار در فرکانس های بالاتر از 100 کیلوهرتز هستند ، که باعث می شود آنها برای استفاده در منبع تغذیه ، مبدل های DC-DC و تقویت کننده های صوتی کلاس D ایده آل شوند. عدم وجود تزریق حامل اقلیت ، آنها را قادر می سازد بدون تأخیرهای مرتبط با نوترکیب سریع تغییر کنند.
IGBTS ، اگرچه از نظر منطقی سریع است ، اما در هنگام خاموش کردن آنچه به عنوان 'جریان دم' شناخته می شود را تجربه کنید. این ناشی از شارژ ذخیره شده در منطقه رانش دستگاه است و فرکانس تعویض آنها را به جایی در حدود 20 تا 30 کیلوهرتز در بیشتر برنامه های کاربردی محدود می کند. اگر تعویض تلفات و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) نگرانی داشته باشد ، به خصوص در برنامه های پر سرعت ، یک MOSFET مناسب تر خواهد بود.
با این حال ، در بسیاری از سیستم های صنعتی و خودرو-مانند درایوهای موتور یا اینورترهای وسیله نقلیه برقی-فرکانس های پیشرفته نسبتاً کم است و فواید تعویض با سرعت بالا با استفاده از جریان برتر و ولتاژ برتر IGBT بیشتر است.
تلفات و کارآیی هدایت
بهره وری در الکترونیک برق تا حد زیادی به میزان از بین رفتن انرژی در هنگام هدایت و تعویض بستگی دارد. برای MOSFETS ، از دست دادن هدایت متناسب با مربع جریان ضرب شده توسط مقاومت در حالت است. این بدان معنی است که با افزایش جریان ، تلفات هدایت به سرعت افزایش می یابد مگر اینکه از MOSFET های RDS کم (روشن) استفاده شود.
در مقابل ، IGBT ها از دست دادن هدایت تقریباً ثابت با افت ولتاژ در ترمینال های جمع کننده-امیتر در هنگام روشن بودن تعریف می شوند. این افت با جریان به طور قابل توجهی متفاوت نیست ، به این معنی که IGBT ها با وجود سرعت آهسته تر سوئیچینگ ، در سطح جریان بالاتر کارآمدتر هستند.
در جریان های پایین تر و ولتاژ ، MOSFET ها به طور کلی کارآمدتر هستند. اما با افزایش سطح قدرت - به ویژه بالاتر از 10 کیلووات - IGBT ها به دلیل تلفات پایین تر و عملکرد حرارتی بهتر ، از MOSFET ها بهتر می شوند.
مدیریت حرارتی و چگالی قدرت
مدیریت گرما همیشه یک نکته اصلی در الکترونیک برق است. ضررهای سوئیچی پایین تر MOSFET ها در ولتاژهای پایین منجر به تولید گرمای کمتری می شوند که به نوبه خود نیازهای خنک کننده را ساده می کند. علاوه بر این ، اندازه قالب کوچکتر و بسته بندی جمع و جور آنها به تراکم قدرت بالاتر در طرح های محدود شده فضا کمک می کند.
از طرف دیگر ، IGBT ها می توانند سطح قدرت بزرگتر را با ثبات حرارتی بهتر تحمل کنند ، اگرچه در حین تعویض گرمای بیشتری ایجاد می کنند. بنابراین ، سیستم هایی با استفاده از IGBT ها اغلب به راه حل های پیشرفته تر خنک کننده مانند هیت سینک های بزرگتر یا روش های خنک کننده فعال نیاز دارند.
تجارت در اینجا واضح است: اگر برنامه نیاز به فشردگی و کارآیی در ولتاژهای پایین تر داشته باشد ، MOSFET ها بهتر هستند. اما هنگام استفاده از بارهای با قدرت بالا و ولتاژ بالا ، IGBT ها استقامت حرارتی برتر را ارائه می دهند ، مشروط بر اینکه مدیریت حرارتی مناسب وجود داشته باشد.
درایو دروازه و پیچیدگی کنترل
هر دو IGBTS و MOSFET دستگاه های ولتاژ محور هستند و بر خلاف BJTS نیازی به جریان مداوم برای حفظ هدایت ندارند. با این حال ، MOSFET ها به طور معمول به ولتاژ دروازه پایین (حدود 10 ولت یا کمتر) نیاز دارند و بار دروازه آنها کوچکتر است و باعث می شود مدار درایو ساده تر و سریعتر باشد.
IGBT ها اغلب به ولتاژ دروازه کمی بالاتر (معمولاً 15 ولت برای تعویض کامل) نیاز دارند و بار دروازه آنها بزرگتر است. این امر نیاز به طراحی دقیق تر درایور دروازه دارد ، به خصوص در برنامه های سوئیچینگ با سرعت بالا یا ولتاژ بالا که در آن ایمنی و زمان بندی سر و صدا بسیار مهم است.
با وجود این اختلافات ، الزامات درایو دروازه برای هر دو با مدارهای یکپارچه مدرن قابل کنترل است ، اگرچه MOSFET ها معمولاً اجرای آن در طرح های مبتدی دوستانه یا حساس به هزینه آسان تر می شوند.
مناسب بودن کاربرد
MOSFET ها به طور گسترده ای در برنامه هایی استفاده می شوند که سرعت تعویض در اولویت است و سطح ولتاژ نسبتاً کم است. این موارد شامل مبدل های Buck and Boost ، درایورهای LED ، الکترونیک قابل حمل و کنترل کننده های موتور ولتاژ کم است. کارآیی ، اندازه کوچک و کنترل ساده آنها را برای دستگاه های مصرف کننده و مدارهای منبع تغذیه ایده آل می کند.
IGBT ها در برنامه هایی که به ولتاژ بالا و قابلیت های جریان بالا نیاز دارند ، حاکم هستند. نمونه ها شامل درایوهای موتور صنعتی ، سیستم های HVAC ، اینورترهای وسایل نقلیه برقی ، تجهیزات جوشکاری و اینورترهای خورشیدی است. این سیستم ها از استحکام و توانایی IGBT در تحمل استرس الکتریکی قابل توجه و بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان بهره مند می شوند.
به عنوان مثال ، در وسایل نقلیه الکتریکی ، IGBT ها اغلب در اینورترهای کششی و سیستم های مدیریت باتری ، به ویژه در سیستم هایی با معماری باتری 400 ولت یا بالاتر یافت می شوند. در حالی که MOSFET های SIC به دلیل راندمان بالای آنها در این فضا شروع به رقابت می کنند ، IGBT ها برای بسیاری از برنامه های کاربردی با قدرت بالا یک انتخاب محبوب و مقرون به صرفه هستند.
روندهای نوظهور: فن آوری های گسترده Bandgap
در حالی که بحث MOSFET در مقابل IGBT هنوز هم مرتبط است ، ظهور نیمه هادی های باند پهن باند در حال تغییر چشم انداز است. MOSFETS CARBIDE سیلیکون (SIC) و ترانزیستورهای نیترید گالیم (GAN) ولتاژهای شکست بالاتری ، تلفات سوئیچینگ پایین تر و هدایت حرارتی بهتری نسبت به همتایان مبتنی بر سیلیکون ارائه می دهند.
به عنوان مثال ، MOSFET های SIC قادر به دستیابی به ولتاژهای بالا با سرعت سوئیچینگ بسیار سریع هستند و آنها را در محدوده 600 ولت تا 1200 ولت در برابر IGBT ها قوی می کنند. اگرچه در حال حاضر گران تر است ، با افزایش پذیرش ، شکاف قیمت در حال بسته شدن است.
این فن آوری ها به ویژه در زمینه های برش مانند هوافضا ، شارژ سریع EV و انرژی تجدید پذیر جذاب هستند ، جایی که کارایی و عملکرد ارزش آن را دارد. با این حال ، برای بسیاری از کاربردهای تجاری و صنعتی ، MOSFET های سیلیکون و IGBT ها عملی ترین گزینه ها هستند.
افکار نهایی: انتخاب درست
انتخاب بین IGBT و MOSFET یک تصمیم یک اندازه نیست. این بستگی به خواسته های خاص کاربرد شما دارد ، از جمله ولتاژ و سطح فعلی ، فرکانس تعویض ، محدودیت های حرارتی ، محدودیت هزینه و پیچیدگی کلی سیستم.
اگر برنامه شما شامل ولتاژ نسبتاً کم و سرعت سوئیچینگ زیاد باشد ، احتمالاً یک MOSFET بهترین گزینه است. این کارآیی بهتر ، کنترل ساده تر و EMI پایین تر را ارائه می دهد. اما اگر سیستم شما با ولتاژ و جریان بالا کار می کند ، به ویژه در مواردی که سرعت سوئیچینگ بسیار مهم است ، IGBT عملکرد حرارتی بهتر ، قابلیت اطمینان و راندمان کلی را فراهم می کند.
دانستن نقاط قوت عملیاتی هر دستگاه به مهندسان این امکان را می دهد تا در عین حال بهینه سازی عملکرد ، بهینه سازی عملکرد را انجام دهند و ضمن به حداقل رساندن تلفات ، هزینه و اندازه سیستم. با پیشرفت فناوری ، به ویژه با نیمه هادی های باند گسترده که وارد جریان اصلی می شوند ، مهندسان ابزارهای قدرتمندتری را در اختیار دارند تا خواسته های نسل بعدی سیستم های قدرت را برآورده کنند.
