W szybko ewoluującym polu elektroniki energetycznej wybranie odpowiedniego urządzenia przełączającego ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia wydajności, niezawodności i wydajności. Dwóch głównych pretendentów dominuje w krajobrazie, jeśli chodzi o zastosowania o dużej mocy: Izolowana bipolarna tranzystor (IGBT) i tranzystor pola-tlenku-tlenku-tlenku (MOSFET). Chociaż oba służą do zmiany i kontrolowania energii elektrycznej, działają zupełnie inaczej i oferują unikalne zalety w zależności od zastosowania. Zrozumienie ich cech jest niezbędne dla inżynierów i projektantów systemów przy wyborze najbardziej odpowiedniego komponentu dla ich konkretnych wymagań.
Weźmy głębokie zanurzenie w działaniach IGBT i MOSFETS, ich zaletach i ograniczeniach oraz kiedy używać każdego z nich w aplikacjach o dużej mocy.
Podstawy MOSFET i IGBT
MOSFET to urządzenia sterowane napięciem, które umożliwiają przepływ prądu od drenażu do źródła, gdy napięcie jest przyłożone do bramy. Działają przez pole elektryczne zamiast wtrysku przewoźnika, co sprawia, że są niezwykle szybkie w przełączaniu i nadają się do operacji o wysokiej częstotliwości. Jedną z cech definiujących MOSFET jest ich wymaganie prądu o niskiej bramie, wysoka impedancja wejściowa i liniowe zachowanie oporności podczas stanu. To sprawia, że są popularne w aplikacjach, w których prędkość i kontrola prostota są kluczowe.
Z drugiej strony IGBTS są hybrydą technologii MOSFET i bipolarnych połączenia (BJT). Używają struktury bramki MOS do kontroli, ale obsługują prąd w sposób dwubiegunowy. Ta struktura pozwala IGBTS w celu połączenia łatwych charakterystyk napędowych MOSFET z możliwościami obsługi prądu i napięcia BJT. W rezultacie IGBT mogą zmieniać duże ilości mocy przy stosunkowo małych prądach bramkowych, ale ich prędkość przełączania jest wolniejsza w porównaniu z MOSFETS.
Obsługa napięcia i prądu
Oceny napięcia i prądu należą do najważniejszych parametrów przy podejmowaniu decyzji, czy użyć MOSFET, czy IGBT. Ogólnie rzecz biorąc, MOSFET są bardziej wydajne i praktyczne w przypadku zastosowań o napięciach poniżej 250 do 300 woltów. Ich odporność na stan (RDS (ON) pozostaje niski w tym zakresie, co zapewnia minimalne straty przewodzenia i wydajne działanie.
Jednak wraz ze wzrostem napięcia, oporność MOSFET również wzrasta znacznie, co prowadzi do rozproszenia mocy. Tutaj świecą IGBTS. IGBTS obsługuje wysokie napięcia - typowo od 400 woltów do ponad 1200 woltów - znacznie lepsze niż MOSFETS. Zamiast przewodzenia rezystancyjnego wykazują stały spadek napięcia (zwykle około 1,5 do 2,5 woltów) w stanie, co czyni je bardziej przewidywalnymi i wydajnymi w scenariuszach wysokiego napięcia.
Tak więc, pracując z systemami niższymi napięciami, które wymagają szybkiej reakcji i niskich strat, MOSFETS są wyborem. W przypadku systemów średniego do wysokiego napięcia, zwłaszcza tych o znacznych aktualnych wymaganiach, IGBT zapewniają lepszą wydajność i wydajność.
Rozważania prędkości przełączania
MOSFETS mają przewagę pod względem prędkości przełączania. Są w stanie działać na częstotliwościach znacznie powyżej 100 kHz, co czyni je idealnymi do użytku w zasilaczy, konwerterach DC-DC i wzmacniaczy audio klasy D. Brak wstrzyknięcia nośnika mniejszościowego umożliwia szybkie przełączanie się bez opóźnień związanych z rekombinacją.
IGBTS, choć dość szybkie, doświadczają tak zwanego prądu ogona ”podczas wyłączenia. Wynika to z przechowywanego ładunku w obszarze dryfu urządzenia i ogranicza ich częstotliwość przełączania do około 20 do 30 kHz w większości praktycznych zastosowań. Jeżeli straty przełączania i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) są problemem, szczególnie w zastosowaniach szybkich, MOSFET byłby lepszy.
Jednak w wielu systemach przemysłowych i motoryzacyjnych-takich jak napędy silnikowe lub falowniki elektryczne-częstotliwości przełączania są stosunkowo niskie, a korzyści płynące z szybkiego przełączania przeważają nad doskonałym prądem IGBT i przeładunkiem napięcia.
Straty i wydajność przewodnictwa
Wydajność elektroniki energetycznej w dużej mierze zależy od tego, ile energii jest utracone podczas przewodzenia i przełączania. W przypadku MOSFET utrata przewodzenia jest proporcjonalna do kwadratu prądu pomnożonego przez opór stanu. Oznacza to, że wraz ze wzrostem prądu straty przewodnictwa gwałtownie rosną, chyba że zastosowane są niskie MOSFET RDS (ON).
Natomiast IGBT mają prawie stałą stratę przewodnictwa określoną przez spadek napięcia na zaciskach kolekcjonera-emitera po włączeniu. Ten spadek nie różni się znacznie w zależności od prądu, co oznacza, że IGBT są bardziej wydajne przy wyższych poziomach prądu pomimo ich wolniejszej prędkości przełączania.
Przy niższych prądach i napięciach MOSFET są ogólnie bardziej wydajne. Ale wraz ze wzrostem poziomu mocy - zwłaszcza powyżej 10 kilowatów - Gry zaczynają przewyższyć MOSFET ze względu na ich niższe straty przewodzenia i lepszą wydajność termiczną.
Zarządzanie termicznie i gęstość mocy
Zarządzanie ciepłem jest zawsze kluczowym czynnikiem w elektronice energetycznej. Niższe straty przełączania MOSFET przy niskich napięciach powoduje mniej wytwarzania ciepła, co z kolei upraszcza wymagania chłodzenia. Ponadto ich mniejszy rozmiar matrycy i kompaktowe opakowanie przyczyniają się do gęstości wyższej mocy w projektach ograniczonych kosmicznych.
Z drugiej strony IGBT mogą obsługiwać większe poziomy mocy o lepszej stabilności termicznej, chociaż generują więcej ciepła podczas przełączania. Dlatego systemy wykorzystujące IGBT często wymagają bardziej zaawansowanych roztworów chłodzenia, takich jak większe ciepło lub metody aktywnego chłodzenia.
Tutaj kompromis jest jasny: jeśli aplikacja wymaga zwartości i wydajności przy niższych napięciach, MOSFET są lepsze. Ale podczas obsługi obciążeń o dużej mocy i wysokiego napięcia IGBT oferują doskonałą wytrzymałość termiczną, pod warunkiem, że istnieje odpowiednie zarządzanie termicznie.
Złożoność napędu i sterowania bramą
Zarówno IGBT, jak i MOSFET są urządzeniami napiętymi napięciem i nie wymagają ciągłego prądu, aby zachować przewodzenie, w przeciwieństwie do BJT. Jednak MOSFET zwykle wymagają niższych napięć bramek (około 10 V lub mniej), a ich ładunek bramkowy jest mniejszy, co pozwala na prostsze i szybsze obwody napędowe.
IGBT często wymagają nieco wyższych napięć bramek (zwykle ± 15 V dla pełnego przełączania), a ich ładunek bramki jest większy. Wymaga to bardziej starannego zaprojektowania sterownika bramy, szczególnie w aplikacjach szybkich przełączania lub wysokiego napięcia, w których odporność na szum i czas są krytyczne.
Pomimo tych różnic wymagania napędu bramek dla obu są możliwe do zarządzania w nowoczesnych obwodach zintegrowanych, chociaż MOSFET są ogólnie uważane za łatwiejsze do wdrożenia w projektach przyjaznych dla początkujących lub wrażliwych na koszty.
Przydatność aplikacji
MOSFET są szeroko stosowane w aplikacjach, w których prędkość przełączania jest priorytetem, a poziomy napięcia są stosunkowo niskie. Należą do nich konwertery Buck i Boost, sterowniki LED, przenośna elektronika i kontrolery silnika niskiego napięcia. Ich wydajność, niewielki rozmiar i prosta kontrola sprawiają, że są idealne dla urządzeń konsumenckich i obwodów zasilających.
IGBT są dominujące w zastosowaniach, w których potrzebne są duże napięcie i wysokie możliwości prądu. Przykłady obejmują przemysłowe dyski silnikowe, systemy HVAC, falowniki pojazdów elektrycznych, sprzęt spawalniczy i falowniki słoneczne. Systemy te korzystają z odporności i zdolności IGBT do radzenia sobie ze znacznym naprężeniem elektrycznym bez uszczerbku dla niezawodności.
Na przykład w pojazdach elektrycznych IGBT często występują w falownikach trakcyjnych i systemach zarządzania akumulatorami, szczególnie w systemach z architekturą baterii 400 V lub wyższą. Podczas gdy MOSFET SIC zaczynają konkurować w tej przestrzeni ze względu na ich wysoką wydajność, IGBT pozostają popularnym i opłacalnym wyborem dla wielu aplikacji motoryzacyjnych o dużej mocy.
Pojawiające się trendy: szerokie technologie Bandgap
Podczas gdy debata MOSFET vs. IGBT jest nadal istotna, pojawienie się szerokich półprzewodników Bandgap zmienia krajobraz. MOSFETY KOKAŻNOŚCI SILICON (SIC) i tranzystory azotku galu (GAN) oferują wyższe napięcia rozpadu, niższe straty przełączania i lepszą przewodność cieplną niż ich odpowiedniki na bazie krzemu.
Na przykład MOSFET SIC są w stanie obsłużyć wysokie napięcia z bardzo szybkimi prędkościami przełączania, dzięki czemu są silnymi rywalizatorami przeciwko IGBT w zakresie od 600 V do 1200 V. Choć obecnie droższa, luka cenowa się kończy wraz ze wzrostem adopcji.
Technologie te są szczególnie atrakcyjne w najnowocześniejszych dziedzinach, takich jak lotniska, szybkie ładowanie EV i energia odnawialna, gdzie wydajność i wydajność są warte dodatkowych kosztów. Jednak w przypadku wielu zastosowań komercyjnych i przemysłowych MOSFETS i IGBTS pozostają najbardziej praktycznym wyborem.
Ostateczne myśli: dokonanie właściwego wyboru
Wybór między IGBT a MOSFET nie jest decyzją dla jednego rozmiaru. Zależy to od konkretnych wymagań aplikacji, w tym poziomów napięcia i prądu, częstotliwości przełączania, ograniczeń termicznych, ograniczeń kosztów i ogólnej złożoności systemu.
Jeśli aplikacja obejmuje stosunkowo niskie napięcie i wysoką prędkość przełączania, MOSFET jest prawdopodobnie najlepszą opcją. Oferuje lepszą wydajność, prostszą kontrolę i niższą EMI. Ale jeśli twój system działa przy wysokim napięciu i prądu, szczególnie tam, gdzie prędkość przełączania jest mniej krytyczna, IGBT zapewnia lepszą wydajność termiczną, niezawodność i ogólną wydajność.
Zrozumienie siły operacyjnych każdego urządzenia pozwala inżynierom dokonywać świadomych wyborów projektowych, optymalizując wydajność, jednocześnie minimalizując straty, koszty i wielkość systemu. W miarę postępów technologii, szczególnie w przypadku szerokich półprzewodników Bandgap wchodzących do głównego nurtu, inżynierowie będą mieli do dyspozycji jeszcze mocniejsze narzędzia, aby sprostać wymaganiom nowej generacji systemów elektroenergetycznych.
