Nopeasti kehittyvässä tehoelektroniikan kentässä oikean kytkentälaitteen valitseminen on kriittistä tehokkuuden, luotettavuuden ja suorituskyvyn saavuttamiseksi. Kaksi suurta kilpailijaa hallitsevat maisemaa suuritehoisissa sovelluksissa: Eristetty portin bipolaarinen transistori (IGBT) ja metallioksidi-puolijohde-kenttävaikutustransistori (MOSFET). Vaikka molemmat palvelevat sähköenergian vaihtamisen ja hallinnan tarkoitusta, ne toimivat aivan eri tavalla ja tarjoavat ainutlaatuisia etuja sovelluksesta riippuen. Niiden ominaisuuksien ymmärtäminen on välttämätöntä insinööreille ja järjestelmäsuunnittelijoille valittaessa sopivin komponentti heidän erityisvaatimuksiinsa.
Otetaan syvälle sukellusta siihen, kuinka IGBT: t ja MOSFET-arvot toimivat, niiden edut ja rajoitukset ja milloin kumpikin käytetään suuritehoisissa sovelluksissa.
Mosfets- ja IGBT: ien perusteet
MOSFET: t ovat jännitekontrolloituja laitteita, jotka sallivat virran virtata viemäristä lähteeseen, kun porttiin levitetään jännite. Ne toimivat pikemminkin sähkökentän kautta operaattorin injektiota, mikä tekee niistä erittäin nopeasti vaihtamaan ja sopivat korkeataajuisiin toimintoihin. Yksi MOSFET: ien määrittelevistä piirteistä on niiden matala GATE-virran vaatimus, korkea syöttöimpedanssi ja lineaarinen vastuskäyttäytyminen valtiossa. Tämä tekee niistä suosittuja sovelluksissa, joissa nopeuden ja hallinnan yksinkertaisuus ovat ratkaisevan tärkeitä.
IGBT: t ovat toisaalta mosfet- ja bipolaaristen risteystransistorien (BJT) tekniikoiden hybridi. He käyttävät MOS -portirakennetta ohjaamiseen, mutta käsittelevät virtaa bipolaarisella tavalla. Tämä rakenne sallii IGBT: t yhdistämään MOSFET: ien helppo käyttöominaisuudet BJT: n korkean virran ja jännitteenkäsittelyominaisuuksien kanssa. Seurauksena on, että IGBT: t voivat vaihtaa suuria määriä tehoa suhteellisen pienillä porttivirroilla, mutta niiden kytkentänopeus on hitaampi verrattuna MOSFET: iin.
Jännite ja virrankäsittely
Jännite- ja virran arvosanat ovat kriittisin parametri päätettäessä, käytetäänkö MOSFET: ää vai IGBT: tä. Yleisesti ottaen MOSFET: t ovat tehokkaampia ja käytännöllisempiä sovelluksille, joiden jännitteet ovat alle 250 - 300 volttia. Heidän valtiossa oleva vastus (RDS (ON)) on edelleen alhainen tällä alueella, mikä varmistaa minimaaliset johtamishäviöt ja tehokkaan toiminnan.
Jännitteen lisääntyessä myös MOSFET: ien vastustuskyky nousee merkittävästi, mikä johtaa suurempaan tehon hajoamiseen. Tässä IGBT: t loistavat. IGBT: t käsittelevät korkeita jännitteitä - tyypillisesti 400 voltista yli 1200 voltiin - paljon paremmin kuin MOSFET. Resistiivisen johtavuuden sijasta niillä on kiinteä jännitteen pudotus (yleensä noin 1,5-2,5 volttia) tilassa, mikä tekee niistä ennustettavissa ja tehokkaampia korkeajännitekeskenaarioita.
Joten työskennellessäsi alhaisempien jännitteiden järjestelmien kanssa, jotka vaativat nopeaa vastetta ja alhaisia häviöitä, MOSFET: t ovat valinta. Keskimääräisten ja korkeajännitejärjestelmien, etenkin niiden, joilla on huomattavia nykyisiä vaatimuksia, IGBT: t tarjoavat paremman tehokkuuden ja suorituskyvyn.
Kytkentänopeuden näkökohdat
Mosfetsillä on reuna kytkentänopeuden suhteen. Ne kykenevät toimimaan yli 100 kHz: n taajuuksilla, mikä tekee niistä ihanteellisia käytettäväksi virtalähteissä, DC-DC-muuntimissa ja luokan D äänivahvistimissa. Vähemmistökantoinjektion puuttuminen antaa heille mahdollisuuden vaihtaa nopeasti ilman rekombinaatioon liittyviä viiveitä.
IGBT: t, vaikkakin kohtuullisen nopeasti, kokevat niin, että se tunnetaan 'hännän virran ' sammuttamisen aikana. Tämä johtuu laitteen ajoalueen tallennetusta varauksesta ja rajoittaa niiden kytkentätaajuuden noin 20–30 kHz: iin useimmissa käytännöllisissä sovelluksissa. Jos häviöt ja sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ovat huolenaiheita, etenkin nopeassa sovelluksessa, MOSFET sopii paremmin.
Kuitenkin monissa teollisuus- ja autojärjestelmissä-kuten moottori-asemat tai sähköajoneuvojen invertterit-kytkentätaajuudet ovat suhteellisen alhaiset, ja IGBT: n ylivoimaisen virran ja jännitteenkäsittelyn edut ovat suurempien vaihtamisen edut.
Johtamishäviöt ja tehokkuus
Tehoelektroniikan tehokkuus riippuu suurelta osin siitä, kuinka paljon energiaa menetetään johtamisen ja vaihtamisen aikana. MOSFETS: n johdistushäviö on verrannollinen virran neliöön kerrottuna valtiossa olevalla resistanssilla. Tämä tarkoittaa, että virran lisääntyessä johtamishäviöt kasvavat nopeasti, ellei alhaa RDS (ON) MOSFET: ää käytetä.
IGBT: llä on sitä vastoin lähes vakio johtavuuden menetys, joka määritellään jännitteen pudotuksella keräilijän emitteriterminaalien yli. Tämä pudotus ei vaihtele merkittävästi virran kanssa, mikä tarkoittaa, että IGBT: t ovat yleensä tehokkaampia korkeammilla virrantasoilla huolimatta niiden hitaammasta kytkentänopeudesta.
Pienemmillä virroilla ja jännitteillä MOSFET: t ovat yleensä tehokkaampia. Mutta kun tehotasot nousevat - etenkin yli 10 kilowattia - Igbts alkaa ylittää MOSFET: t niiden alhaisempien johtamishäviöiden ja paremman lämpötehokkuuden vuoksi.
Lämpöhallinta ja tehotiheys
Lämmön hallinta on aina keskeinen näkökohta tehoelektroniikassa. Alhaisemmat kytkentähäviöt Mosfetit pienillä jännitteillä johtaa vähemmän lämmöntuotantoon, mikä puolestaan yksinkertaistaa jäähdytysvaatimuksia. Lisäksi niiden pienempi suulakon koko ja kompakti pakkaus edistävät avaruusrajoitettujen kuvioiden suurempia tehotiheyksiä.
Toisaalta IGBT: t pystyy käsittelemään suurempia tehitasoja paremmalla lämpöstabiilisuudella, vaikka ne tuottavat enemmän lämpöä kytkemisen aikana. Siksi IGBT: tä käyttävät järjestelmät vaativat usein edistyneempiä jäähdytysratkaisuja, kuten suurempia jäähdytyselementtejä tai aktiivisia jäähdytysmenetelmiä.
Kompromissi on selkeä: Jos sovellus vaatii kompaktiisuutta ja tehokkuutta pienemmillä jännitteillä, MOSFET: t ovat parempia. Mutta käsitellessäsi suuritehoisia ja korkeajännitekuormia, IGBT: t tarjoavat erinomaisen lämpökestävyyden, edellyttäen, että oikea lämmönhallinta on paikallaan.
Portinkäyttö ja hallinta monimutkaisuus
Sekä IGBT: t että MOSFET: t ovat jännitteellisiä laitteita, eivätkä ne vaadi jatkuvaa virtaa johtavuuden ylläpitämiseksi, toisin kuin BJT: t. MOSFET: t vaativat kuitenkin tyypillisesti pienemmät porttijännitteet (noin 10 V tai vähemmän), ja niiden porttivaraus on pienempi, mikä mahdollistaa yksinkertaisemman ja nopeamman käyttöpiirin.
IGBT: t vaativat usein hiukan korkeampia porttijännitteitä (yleensä ± 15 V täyden kytkentä), ja niiden porttivaraus on suurempi. Tämä edellyttää portinohjaimen huolellisempaa suunnittelua, etenkin nopean kytkentä- tai korkeajännitesovelluksissa, joissa melun immuniteetti ja ajoitus ovat kriittisiä.
Näistä eroista huolimatta molempien porttivetovaatimukset ovat hallittavissa nykyaikaisten integroitujen piirien kanssa, vaikka MOSFET: ien katsotaan yleensä helpommin toteuttamisen aloittelijaystävällisissä tai kustannusherkissä malleissa.
Soveltuvuus
MOSFET: itä käytetään laajasti sovelluksissa, joissa kytkentänopeus on etusija ja jännitteet ovat suhteellisen alhaiset. Näitä ovat Buck- ja Boost-muuntimet, LED-kuljettajat, kannettavat elektroniikan ja pienjännitekorjaiset ohjaimet. Niiden tehokkuus, pieni koko ja yksinkertainen hallinta tekevät niistä ihanteellisia kuluttajalaitteille ja virtalähdepiireille.
IGBT: t ovat hallitsevia sovelluksissa, joissa tarvitaan korkeajännite ja korkeat virranominaisuudet. Esimerkkejä ovat teollisuusmoottorivedot, LVI -järjestelmät, sähköajoneuvojen invertterit, hitsauslaitteet ja aurinkoinvertterit. Nämä järjestelmät hyötyvät IGBT: n kestävyydestä ja kyvystä käsitellä merkittävää sähköstressiä vaarantamatta luotettavuutta.
Esimerkiksi sähköajoneuvoissa IGBT: t löytyvät usein vetovoimalaitoksista ja akkujen hallintajärjestelmistä, etenkin järjestelmissä, joissa on 400 V tai korkeampi akun arkkitehtuuri. Vaikka sic mosfets alkaa kilpailla tässä tilassa korkean hyötysuhteensa vuoksi, IGBT: t ovat edelleen suosittu ja kustannustehokas valinta monille suuritehoisille autosovelluksille.
Nousevat trendit: Wide Bandgap Technologies
Vaikka MOSFET vs. IGBT -keskustelu on edelleen merkityksellinen, laajojen kaistalevyjen puolijohteiden syntyminen muuttaa maisemaa. Piharbidi (sic) MOSFET: t ja galliumnitridi (GAN) -transistorit tarjoavat suurempia jakautumisjännitteitä, alhaisempia kytkentähäviöitä ja parempaa lämmönjohtavuutta kuin niiden piisopohjaiset vastaavat.
Esimerkiksi sic Mosfets pystyy käsittelemään korkeita jännitteitä erittäin nopealla kytkentänopeudella, mikä tekee niistä vahvoja kilpailijoita IGBT: itä vastaan 600 V - 1200 V: n alueella. Vaikka hintaero on tällä hetkellä kalliimpi, ne sulkeutuvat adoption kasvaessa.
Nämä tekniikat ovat erityisen houkuttelevia huippuluokan kenttiä, kuten ilmailutila, EV-nopea lataus ja uusiutuva energia, jossa tehokkuus ja suorituskyky ovat lisäkustannusten arvoisia. Monille kaupallisille ja teollisille sovelluksille piin MOSFET: t ja IGBT: t ovat kuitenkin käytännöllisimpiä valintoja.
Viimeiset ajatukset: Oikean valinnan tekeminen
IGBT: n ja MOSFET: n välillä valitseminen ei ole yhdenmukainen päätös. Se riippuu sovelluksesi erityisistä vaatimuksista, mukaan lukien jännitteet ja virran tasot, kytkentätaajuus, lämpörajat, kustannusrajoitukset ja järjestelmän yleinen monimutkaisuus.
Jos sovelluksesi sisältää suhteellisen alhaisen jännitteen ja korkean kytkentänopeuden, MOSFET on todennäköisesti paras vaihtoehto. Se tarjoaa paremman tehokkuuden, yksinkertaisemman hallinnan ja alemman EMI: n. Mutta jos järjestelmäsi toimii korkealla jännitteellä ja virralla, etenkin kun kytkentänopeus on vähemmän kriittistä, IGBT tarjoaa paremman lämmön suorituskyvyn, luotettavuuden ja yleisen tehokkuuden.
Kunkin laitteen toimintavahvuuksien ymmärtäminen antaa insinööreille mahdollisuuden tehdä tietoisia suunnitteluvalintoja optimoimalla suorituskyvyn ja minimoimalla menetykset, kustannukset ja järjestelmän koko. Teknologian edetessä etenkin valtavirtaan saapuvien laajojen bandgap -puolijohteiden ollessa käytettävissään entistä tehokkaampia työkaluja vastaamaan seuraavan sukupolven sähköjärjestelmien vaatimuksiin.
