पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के तेजी से विकसित क्षेत्र में, सही स्विचिंग डिवाइस का चयन करना दक्षता, विश्वसनीयता और प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों की बात आती है तो दो प्रमुख दावेदार परिदृश्य पर हावी होते हैं: अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (IGBT) और धातु-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET)। हालांकि दोनों विद्युत ऊर्जा को स्विच करने और नियंत्रित करने के उद्देश्य से काम करते हैं, वे काफी अलग तरह से काम करते हैं और आवेदन के आधार पर अद्वितीय लाभ प्रदान करते हैं। उनकी विशेषताओं को समझना इंजीनियरों और सिस्टम डिजाइनरों के लिए आवश्यक है जब उनकी विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सबसे उपयुक्त घटक चुनते हैं।
आइए एक गहरा गोता लें कि IGBTS और MOSFETS कैसे काम करते हैं, उनके फायदे और सीमाएं, और प्रत्येक उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में प्रत्येक का उपयोग कब करें।
MOSFETS और IGBTS के मूल सिद्धांत
MOSFETS वोल्टेज-नियंत्रित उपकरण हैं जो वर्तमान को गेट पर वोल्टेज लागू होने पर नाली से स्रोत तक प्रवाहित करने की अनुमति देते हैं। वे वाहक इंजेक्शन के बजाय एक विद्युत क्षेत्र के माध्यम से काम करते हैं, जो उन्हें स्विचिंग में बहुत तेजी से और उच्च-आवृत्ति संचालन के लिए उपयुक्त बनाता है। MOSFETs की परिभाषित विशेषताओं में से एक उनकी कम गेट वर्तमान आवश्यकता, उच्च इनपुट प्रतिबाधा और रैखिक प्रतिरोध व्यवहार है जब ऑन-स्टेट में। यह उन्हें उन अनुप्रयोगों में लोकप्रिय बनाता है जहां गति और नियंत्रण सादगी महत्वपूर्ण है।
दूसरी ओर, IGBTS, MOSFET और द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJT) प्रौद्योगिकियों का एक हाइब्रिड है। वे नियंत्रण के लिए एक MOS गेट संरचना का उपयोग करते हैं लेकिन द्विध्रुवी तरीके से वर्तमान को संभालते हैं। यह संरचना अनुमति देती है IGBTS BJTS की उच्च वर्तमान और वोल्टेज हैंडलिंग क्षमताओं के साथ MOSFETs की आसान ड्राइव विशेषताओं को संयोजित करने के लिए। नतीजतन, IGBTS अपेक्षाकृत छोटे गेट धाराओं के साथ बड़ी मात्रा में बिजली स्विच कर सकता है, लेकिन MOSFETS की तुलना में उनकी स्विचिंग गति धीमी है।
वोल्टेज और वर्तमान हैंडलिंग
वोल्टेज और वर्तमान रेटिंग MOSFET या IGBT का उपयोग करने के लिए तय करने में सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों में से हैं। सामान्यतया, MOSFETS 250 से 300 वोल्ट से नीचे वोल्टेज वाले अनुप्रयोगों के लिए अधिक कुशल और व्यावहारिक हैं। इस सीमा में उनका ऑन-स्टेट प्रतिरोध (आरडीएस (ON)) कम रहता है, जो न्यूनतम चालन हानि और कुशल संचालन सुनिश्चित करता है।
हालांकि, जैसे-जैसे वोल्टेज बढ़ता है, MOSFETs के ऑन-प्रतिरोध भी काफी बढ़ जाता है, जिससे उच्च शक्ति अपव्यय होता है। यह वह जगह है जहाँ IGBTS चमकते हैं। IGBTs उच्च वोल्टेज को संभालते हैं - आमतौर पर 400 वोल्ट से 1200 वोल्ट से अधिक - MOSFETs से बेहतर है। प्रतिरोधक चालन के बजाय, वे ऑन-स्टेट में एक निश्चित वोल्टेज ड्रॉप (आमतौर पर लगभग 1.5 से 2.5 वोल्ट) का प्रदर्शन करते हैं, जो उन्हें उच्च-वोल्टेज परिदृश्यों के लिए अधिक अनुमानित और कुशल बनाता है।
इसलिए, कम वोल्टेज सिस्टम के साथ काम करते समय जो तेजी से प्रतिक्रिया और कम नुकसान की मांग करते हैं, MOSFETs गो-टू पसंद हैं। मध्यम से उच्च-वोल्टेज सिस्टम के लिए, विशेष रूप से पर्याप्त वर्तमान आवश्यकताओं के साथ, IGBTs बेहतर दक्षता और प्रदर्शन प्रदान करते हैं।
स्विचिंग गति विचार
स्विचिंग गति के मामले में MOSFETs में बढ़त है। वे 100 kHz से ऊपर आवृत्तियों पर संचालित करने में सक्षम हैं, जो उन्हें बिजली की आपूर्ति, डीसी-डीसी कन्वर्टर्स और क्लास डी ऑडियो एम्पलीफायरों में उपयोग के लिए आदर्श बनाता है। अल्पसंख्यक वाहक इंजेक्शन की अनुपस्थिति उन्हें पुनर्संयोजन से जुड़ी देरी के बिना जल्दी से स्विच करने में सक्षम बनाती है।
IGBTS, हालांकि यथोचित रूप से तेजी से, अनुभव करें कि टर्न-ऑफ के दौरान एक 'टेल करंट ' के रूप में जाना जाता है। यह डिवाइस के बहाव क्षेत्र में संग्रहीत चार्ज से परिणाम देता है और अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनकी स्विचिंग आवृत्ति को लगभग 20 से 30 kHz तक सीमित करता है। यदि स्विचिंग लॉस और इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंटरफेरेंस (ईएमआई) एक चिंता का विषय है, विशेष रूप से उच्च गति वाले अनुप्रयोगों में, एक एमओएसएफईटी एक बेहतर फिट होगा।
हालांकि, कई औद्योगिक और मोटर वाहन प्रणालियों में-जैसे कि मोटर ड्राइव या इलेक्ट्रिक वाहन इनवर्टर- सचेत आवृत्तियों अपेक्षाकृत कम हैं, और उच्च गति स्विचिंग के लाभ IGBT के बेहतर वर्तमान और वोल्टेज हैंडलिंग द्वारा आगे बढ़े हैं।
चालन हानि और दक्षता
पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में दक्षता काफी हद तक इस बात पर निर्भर करती है कि चालन और स्विचिंग के दौरान कितनी ऊर्जा खो जाती है। MOSFETS के लिए, चालन हानि ऑन-स्टेट प्रतिरोध द्वारा गुणा किए गए वर्तमान के वर्ग के लिए आनुपातिक है। इसका मतलब यह है कि जैसे -जैसे वर्तमान बढ़ता जाता है, तब तक चालन की कमी तेजी से बढ़ जाती है जब तक कि कम आरडीएस (ऑन) MOSFET का उपयोग नहीं किया जाता है।
IGBTS, इसके विपरीत, कलेक्टर-एमिटर टर्मिनलों में वोल्टेज ड्रॉप द्वारा परिभाषित लगभग निरंतर चालन हानि होती है। यह ड्रॉप वर्तमान के साथ महत्वपूर्ण रूप से भिन्न नहीं है, जिसका अर्थ है कि IGBTs उनकी धीमी स्विचिंग गति के बावजूद उच्च वर्तमान स्तरों पर अधिक कुशल हैं।
कम धाराओं और वोल्टेज पर, MOSFETs आम तौर पर अधिक कुशल होते हैं। लेकिन जैसे -जैसे बिजली का स्तर बढ़ता है - विशेष रूप से 10 किलोवाट से ऊपर -आईजीबीटी अपने कम चालन नुकसान और बेहतर थर्मल प्रदर्शन के कारण MOSFETs को बेहतर बनाना शुरू कर देते हैं।
थर्मल प्रबंधन और बिजली घनत्व
गर्मी का प्रबंधन हमेशा पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में एक महत्वपूर्ण विचार है। कम स्विचिंग नुकसान कम वोल्टेज पर MOSFETS कम गर्मी उत्पादन में परिणाम होता है, जो बदले में शीतलन आवश्यकताओं को सरल करता है। इसके अतिरिक्त, उनके छोटे मरते आकार और कॉम्पैक्ट पैकेजिंग अंतरिक्ष-विवश डिजाइनों में उच्च शक्ति घनत्व में योगदान करते हैं।
दूसरी ओर, IGBTS बेहतर थर्मल स्थिरता के साथ बड़े बिजली के स्तर को संभाल सकता है, हालांकि वे स्विचिंग के दौरान अधिक गर्मी उत्पन्न करते हैं। इसलिए, IGBTs का उपयोग करने वाले सिस्टम को अक्सर अधिक उन्नत शीतलन समाधान की आवश्यकता होती है, जैसे कि बड़े हीटसिंक या सक्रिय शीतलन विधियाँ।
यहां व्यापार-बंद स्पष्ट है: यदि आवेदन कम वोल्टेज पर कॉम्पैक्टनेस और दक्षता की मांग करता है, तो MOSFETs बेहतर हैं। लेकिन जब उच्च-शक्ति और उच्च-वोल्टेज लोड को संभालते हैं, तो IGBTs बेहतर थर्मल धीरज प्रदान करते हैं, बशर्ते कि उचित थर्मल प्रबंधन जगह में हो।
गेट ड्राइव और नियंत्रण जटिलता
IGBTS और MOSFETs दोनों वोल्टेज-संचालित उपकरण हैं और BJTS के विपरीत चालन बनाए रखने के लिए निरंतर वर्तमान की आवश्यकता नहीं है। हालांकि, MOSFETs को आमतौर पर कम गेट वोल्टेज (लगभग 10V या उससे कम) की आवश्यकता होती है, और उनका गेट चार्ज छोटा होता है, जो सरल और तेज ड्राइव सर्किटरी के लिए अनुमति देता है।
IGBTS को अक्सर थोड़ा अधिक गेट वोल्टेज (आमतौर पर पूर्ण स्विचिंग के लिए ± 15V) की आवश्यकता होती है, और उनका गेट चार्ज बड़ा होता है। यह गेट ड्राइवर के अधिक सावधान डिजाइन की आवश्यकता है, विशेष रूप से उच्च गति स्विचिंग या उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों में जहां शोर प्रतिरक्षा और समय महत्वपूर्ण हैं।
इन अंतरों के बावजूद, दोनों के लिए गेट ड्राइव की आवश्यकताएं आधुनिक एकीकृत सर्किट के साथ प्रबंधनीय हैं, हालांकि MOSFETs को आमतौर पर शुरुआती-अनुकूल या लागत-संवेदनशील डिजाइनों में लागू करना आसान माना जाता है।
अनुप्रयोग उपयुक्तता
MOSFETS का उपयोग उन अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से किया जाता है जहां स्विचिंग गति प्राथमिकता है और वोल्टेज का स्तर अपेक्षाकृत कम होता है। इनमें बक और बूस्ट कन्वर्टर्स, एलईडी ड्राइवर, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स और कम-वोल्टेज मोटर कंट्रोलर शामिल हैं। उनकी दक्षता, छोटे आकार और सरल नियंत्रण उन्हें उपभोक्ता उपकरणों और बिजली की आपूर्ति सर्किट के लिए आदर्श बनाते हैं।
IGBTS उन अनुप्रयोगों में प्रमुख हैं जहां उच्च वोल्टेज और उच्च वर्तमान क्षमताओं की आवश्यकता होती है। उदाहरणों में औद्योगिक मोटर ड्राइव, एचवीएसी सिस्टम, इलेक्ट्रिक वाहन इनवर्टर, वेल्डिंग उपकरण और सौर इनवर्टर शामिल हैं। ये सिस्टम IGBT की मजबूती और विश्वसनीयता से समझौता किए बिना महत्वपूर्ण विद्युत तनाव को संभालने की क्षमता से लाभान्वित होते हैं।
उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रिक वाहनों में, IGBTs अक्सर ट्रैक्शन इनवर्टर और बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम में पाए जाते हैं, विशेष रूप से 400V या उच्च बैटरी आर्किटेक्चर वाले सिस्टम में। जबकि SIC MOSFETs अपनी उच्च दक्षता के कारण इस स्थान पर प्रतिस्पर्धा करने लगे हैं, IGBTS कई उच्च-शक्ति ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए एक लोकप्रिय और लागत प्रभावी विकल्प बने हुए हैं।
इमर्जिंग ट्रेंड्स: वाइड बैंडगैप टेक्नोलॉजीज
जबकि MOSFET बनाम IGBT बहस अभी भी प्रासंगिक है, व्यापक बैंडगैप अर्धचालकों का उद्भव परिदृश्य को स्थानांतरित कर रहा है। सिलिकॉन कार्बाइड (SIC) MOSFETS और गैलियम नाइट्राइड (GAN) ट्रांजिस्टर अपने सिलिकॉन-आधारित समकक्षों की तुलना में उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, कम स्विचिंग लॉस और बेहतर थर्मल चालकता प्रदान करते हैं।
उदाहरण के लिए, SIC MOSFETS, बहुत तेज स्विचिंग गति के साथ उच्च वोल्टेज को संभालने में सक्षम हैं, जिससे उन्हें 600V से 1200V रेंज में IGBTS के खिलाफ मजबूत दावेदार बनाते हैं। हालांकि वर्तमान में अधिक महंगा है, लेकिन गोद लेने के बढ़ने के साथ मूल्य अंतर बंद हो रहा है।
ये तकनीकें विशेष रूप से एयरोस्पेस, ईवी फास्ट चार्जिंग और नवीकरणीय ऊर्जा जैसे अत्याधुनिक क्षेत्रों में आकर्षक हैं, जहां दक्षता और प्रदर्शन अतिरिक्त लागत के लायक हैं। हालांकि, कई वाणिज्यिक और औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए, सिलिकॉन MOSFETS और IGBTS सबसे व्यावहारिक विकल्प बने हुए हैं।
अंतिम विचार: सही विकल्प बनाना
एक IGBT और MOSFET के बीच चयन एक आकार-फिट-सभी निर्णय नहीं है। यह आपके आवेदन की विशिष्ट मांगों पर निर्भर करता है, जिसमें वोल्टेज और वर्तमान स्तर, स्विचिंग आवृत्ति, थर्मल सीमा, लागत की कमी और समग्र प्रणाली जटिलता शामिल हैं।
यदि आपके आवेदन में अपेक्षाकृत कम वोल्टेज और उच्च स्विचिंग गति शामिल है, तो एक MOSFET सबसे अच्छा विकल्प है। यह बेहतर दक्षता, सरल नियंत्रण और कम ईएमआई प्रदान करता है। लेकिन अगर आपका सिस्टम उच्च वोल्टेज और वर्तमान में संचालित होता है, विशेष रूप से जहां स्विचिंग गति कम महत्वपूर्ण है, तो एक IGBT बेहतर थर्मल प्रदर्शन, विश्वसनीयता और समग्र दक्षता प्रदान करता है।
प्रत्येक डिवाइस की परिचालन ताकत को समझना इंजीनियरों को सूचित डिजाइन विकल्प बनाने की अनुमति देता है, नुकसान, लागत और सिस्टम आकार को कम करते हुए प्रदर्शन का अनुकूलन करता है। चूंकि तकनीक आगे बढ़ती रहती है, विशेष रूप से व्यापक बैंडगैप अर्धचालकों के साथ मुख्यधारा में प्रवेश करने के लिए, इंजीनियरों के पास अगली पीढ़ी की पावर सिस्टम की मांगों को पूरा करने के लिए अपने निपटान में और भी अधिक शक्तिशाली उपकरण होंगे।
