A gyorsan fejlődő energiaelektronika területén a megfelelő kapcsolóeszköz kiválasztása kritikus jelentőségű a hatékonyság, a megbízhatóság és a teljesítmény elérése érdekében. Két fő versenyző uralja a tájat, amikor a nagy teljesítményű alkalmazásokról van szó: a Szigetelt kapu bipoláris tranzisztor (IGBT) és a fém-oxid-félvezető mező-hatású tranzisztor (MOSFET). Bár mindkettő az elektromos energia váltásának és ellenőrzésének célját szolgálja, az alkalmazástól függően meglehetősen eltérően működnek, és egyedi előnyöket kínálnak. Jellemzőik megértése elengedhetetlen a mérnökök és a rendszertervezők számára, amikor a legmegfelelőbb alkatrészt választják meg a saját igényeikhez.
Vegyünk egy mélyrehatóan az IGBT-k és a MOSFET-ek működését, azok előnyeit és korlátozásait, valamint mikor kell mindegyiket nagy teljesítményű alkalmazásokban használni.
A MOSFET és az IGBT alapjai
A MOSFET-ek olyan feszültségvezérelt eszközök, amelyek lehetővé teszik az áram áramlását a forrásig, amikor feszültséget alkalmaznak a kapura. Az elektromos mezőn keresztül működnek, nem pedig a hordozó befecskendezésén keresztül, ami rendkívül gyors a váltásban és alkalmas a magas frekvenciájú műveletekhez. A MOSFET-ek egyik meghatározó tulajdonsága az alacsony kapuáram-követelmény, a nagy bemeneti impedancia és a lineáris ellenállás viselkedése az államban. Ez népszerűvé teszi őket olyan alkalmazásokban, ahol a sebesség és a vezérlés egyszerűsége döntő jelentőségű.
Az IGBT -k viszont a MOSFET és a bipoláris csomópont tranzisztor (BJT) technológiák hibridjei. Használják a MOS kapu szerkezetét a vezérléshez, de bipoláris módon kezelik az áramot. Ez a szerkezet lehetővé teszi Az IGBT -k a MOSFET -ek egyszerű meghajtójellemzőinek kombinálására a BJT -k nagy áram- és feszültségkezelési képességeivel. Ennek eredményeként az IGBT -k nagy mennyiségű energiát válthatnak meg viszonylag kis kapuáramokkal, de a váltási sebességük lassabb a MOSFET -hez képest.
Feszültség és áramkezelés
A feszültség és az aktuális besorolások a legkritikusabb paraméterek, amikor eldöntik, hogy MOSFET vagy IGBT használatát használják. Általánosságban elmondható, hogy a MOSFET -ek hatékonyabbak és praktikusabbak a 250–300 volt alatti feszültségű alkalmazásokhoz. Az állami ellenállásuk (RDS (ON)) továbbra is alacsony ebben a tartományban, ami biztosítja a minimális vezetési veszteségeket és a hatékony működést.
A feszültség növekedésével azonban a MOSFET-ek ellenállása szintén jelentősen növekszik, ami nagyobb teljesítményű eloszláshoz vezet. Itt ragyognak az IGBT -k. Az IGBT -k sokkal jobbak a nagyfeszültségeket - általában 400 V -tól több mint 1200 V -ig -, mint a MOSFET -ek. Az ellenálló vezetés helyett rögzített feszültségcsökkenést mutatnak (általában körülbelül 1,5–2,5 volt) az államban, ami kiszámíthatóbbá és hatékonyabbá teszi őket a nagyfeszültségű forgatókönyveknél.
Tehát, ha alacsonyabb feszültségű rendszerekkel dolgoznak, amelyek gyors reagálást és alacsony veszteségeket igényelnek, a MOSFET-ek a választás. A közepes és nagyfeszültségű rendszerek, különösen a jelentős áramigényekkel rendelkező rendszerek esetében az IGBT-k jobb hatékonyságot és teljesítményt nyújtanak.
Váltási sebesség -megfontolások
A MOSFET -ek élnek a váltási sebesség szempontjából. Képesek jóval 100 kHz feletti frekvenciákon működni, ami ideálissá teszi őket a tápegységekben, a DC-DC konverterekben és a D osztályú audio erősítőkhöz. A kisebbségi hordozó befecskendezésének hiánya lehetővé teszi számukra, hogy gyorsan válthassanak a rekombinációval járó késések nélkül.
Az IGBT-k, bár meglehetősen gyors, megtapasztalják az úgynevezett „farokáram ” -et a kikapcsolás során. Ennek eredményeként az eszköz sodródási régiójában lévő tárolt töltés a legtöbb gyakorlati alkalmazásban korlátozza a váltási frekvenciát 20-30 kHz -re. Ha a váltási veszteségek és az elektromágneses interferencia (EMI) aggodalomra ad okot, különösen a nagysebességű alkalmazásokban, a MOSFET jobban illeszkedik.
Számos ipari és autóipari rendszerben-például a motoros meghajtók vagy az elektromos járművivertek-a nyelvetési frekvenciák viszonylag alacsonyak, és a nagysebességű váltás előnyeit az IGBT kiváló áram- és feszültségkezelése meghaladja.
Vezetési veszteségek és hatékonyság
Az energiaelektronika hatékonysága nagymértékben attól függ, hogy mennyi energiát veszítenek a vezetés és a váltás során. A MOSFET-k esetében a vezetőképesség-veszteség arányos az áram négyzetével, amelyet szorozunk az állami ellenállással. Ez azt jelenti, hogy az áram növekedésével a vezetési veszteségek gyorsan növekednek, hacsak nem használnak alacsony RDS (ON) MOSFET -eket.
Az IGBT-kkel szemben szinte állandó vezetési veszteséget mutatnak, amelyet a feszültségcsökkenés határoz meg a gyűjtő-emitter terminálokon, amikor be van kapcsolva. Ez a csepp nem változik szignifikánsan az áramtól, ami azt jelenti, hogy az IGBT -k a lassabb váltási sebességük ellenére általában magasabb áramszinten hatékonyabbak.
Alacsonyabb áramok és feszültségek esetén a MOSFET -ek általában hatékonyabbak. Ahogy az energiaszintek - különösen a 10 kilowatt felett - az IGBT -k alacsonyabb vezetési veszteségeik és jobb hőteljesítményük miatt kezdenek felülmúlni a MOSFET -eket.
Hőgazdálkodás és energia sűrűsége
A hő kezelése mindig kulcsfontosságú szempont a teljesítmény -elektronikában. Az alacsonyabb váltási veszteségek Az alacsony feszültségű MOSFET -ek kevesebb hőtermelést eredményeznek, ami viszont egyszerűsíti a hűtési követelményeket. Ezenkívül kisebb szerszámméretük és kompakt csomagolásuk hozzájárul a nagyobb teljesítmény sűrűségéhez az űrkonzervált mintákban.
Másrészt az IGBT -k képesek kezelni a nagyobb teljesítményszintet, jobb hőstabilitással, bár a váltás során több hőt generálnak. Ezért az IGBT -ket használó rendszerek gyakran fejlettebb hűtési megoldásokat igényelnek, például nagyobb hűtőszekrényeket vagy aktív hűtési módszereket.
A kompromisszum itt egyértelmű: Ha az alkalmazás alacsonyabb feszültségnél kompaktságot és hatékonyságot igényel, akkor a MOSFET-ek jobbak. A nagy teljesítményű és nagyfeszültségű terhelések kezelésekor azonban az IGBT-k kiváló hőállóképességet kínálnak, feltéve, hogy a megfelelő hőkezelés a helyén van.
Kapu meghajtó és a vezérlő bonyolultság
Mind az IGBT-k, mind a MOSFET-ek feszültségvezérelt eszközök, és nem igényelnek folyamatos áramot a vezetés fenntartásához, a BJT-kkel ellentétben. A MOSFET -ek azonban általában alacsonyabb kapu feszültségeket igényelnek (legfeljebb 10 V), és a kapu töltése kisebb, lehetővé téve az egyszerűbb és gyorsabb meghajtó áramkört.
Az IGBT -k gyakran valamivel magasabb kapu feszültségeket igényelnek (általában ± 15 V a teljes váltáshoz), és a kapu töltése nagyobb. Ehhez szükség van a kapuvezető gondosabb kialakítására, különösen a nagysebességű váltásban vagy a nagyfeszültségű alkalmazásokban, ahol a zaj immunitása és időzítése kritikus jelentőségű.
Ezen különbségek ellenére a kapu-meghajtó követelményei mindkettőre a modern integrált áramkörökkel kezelhetők, bár a MOSFET-eket általában könnyebben lehetnek végrehajtani a kezdőbarát vagy költségérzékeny tervekben.
Alkalmazási alkalmasság
A MOSFET -eket széles körben használják azokban az alkalmazásokban, ahol a váltási sebesség prioritás, és a feszültségszintek viszonylag alacsonyak. Ide tartoznak a Buck and Boost konverterek, a LED-vezetők, a hordozható elektronika és az alacsony feszültségű motorvezérlők. Hatékonyságuk, kicsi méretük és egyszerű vezérlésük ideálissá teszi őket a fogyasztói eszközök és az áramellátási áramkörök számára.
Az IGBT -k dominálnak azokban az alkalmazásokban, ahol nagy feszültségre és nagy áramú képességekre van szükség. Példaként szolgálnak az ipari motoros meghajtók, a HVAC rendszerek, az elektromos jármű -frekvenciaváltók, a hegesztőberendezések és a napenergia -inverterek. Ezeknek a rendszereknek az az előnye, hogy az IGBT robusztussága és képessége a jelentős elektromos stressz kezelésére anélkül, hogy a megbízhatóságot veszélyeztetné.
Például az elektromos járművekben az IGBT -k gyakran megtalálhatók a vontatási inverterekben és az akkumulátorkezelő rendszerekben, különösen a 400 V -os vagy magasabb akkumulátor -architektúrájú rendszerekben. Míg a SIC MOSFET-ek nagy hatékonyságuk miatt kezdenek versenyezni ezen a téren, az IGBT-k továbbra is népszerű és költséghatékony választás sok nagy teljesítményű autóipari alkalmazás számára.
A feltörekvő trendek: széles sávos technológiák
Noha a MOSFET és az IGBT vita továbbra is releváns, a széles sávú félvezetők kialakulása megváltoztatja a tájat. A szilícium-karbid (SIC) MOSFET-ek és a gallium-nitrid (GaN) tranzisztorok magasabb bontási feszültséget, alacsonyabb váltási veszteségeket és jobb hővezetőképességet kínálnak, mint a szilícium-alapú társaik.
Például a SIC MOSFET -ek képesek nagyon gyors váltási sebességgel kezelni a nagyfeszültségeket, így erős versenyzőkkel az IGBT -kkel szemben a 600 V -os 1200 V -os tartományban. Bár jelenleg drágább, az árrés az örökbefogadás növekedésével zárul.
Ezek a technológiák különösen vonzóak az élvonalbeli mezőkben, mint például a repülőgépipar, az EV gyors töltés és a megújuló energia, ahol a hatékonyság és a teljesítmény megéri a többletköltségeket. Számos kereskedelmi és ipari alkalmazás esetén azonban a szilícium -MOSFET -ek és az IGBT -k továbbra is a legpraktikusabb választások.
Végső gondolatok: A helyes választás meghozatala
Az IGBT és a MOSFET közötti választás nem egységes döntés. Ez az alkalmazás konkrét igényeitől függ, beleértve a feszültséget és az áramszintet, a kapcsolási frekvenciát, a termikus korlátokat, a költségkorlátozásokat és az általános rendszer bonyolultságát.
Ha az alkalmazás viszonylag alacsony feszültséggel és magas kapcsolási sebességgel jár, akkor a MOSFET valószínűleg a legjobb megoldás. Jobb hatékonyságot, egyszerűbb irányítást és alacsonyabb EMI -t kínál. De ha a rendszer nagyfeszültséggel és árammal működik, különösen akkor, ha a váltási sebesség kevésbé kritikus, akkor az IGBT jobb hőteljesítményt, megbízhatóságot és általános hatékonyságot biztosít.
Az egyes eszközök működési erősségeinek megértése lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy megalapozott tervezési lehetőségeket hozzanak, optimalizálják a teljesítményt, miközben minimalizálják a veszteségeket, a költségeket és a rendszer méretét. Ahogy a technológia tovább halad, különösen a széles sávú félvezetőknél, akik belépnek a mainstreambe, a mérnökök még erősebb eszközökkel rendelkeznek, hogy megfeleljenek az energiarendszerek következő generációjának igényeinek.
