V rýchlo sa rozvíjajúcom poli výkonnej elektroniky je výber správneho prepínania zariadenia rozhodujúci pre dosiahnutie účinnosti, spoľahlivosti a výkonu. Dvaja hlavní uchádzači dominujú v krajine, pokiaľ ide o vysoko výkonné aplikácie: Izolovaný bipolárny tranzistor brány (IGBT) a tranzistor poľa s kovovým oxidom-oxidom-oxidom (MOSFET). Aj keď obidve slúžia na účel prepínania a riadenia elektrickej energie, fungujú celkom inak a ponúkajú jedinečné výhody v závislosti od aplikácie. Pochopenie ich charakteristík je nevyhnutné pre inžinierov a dizajnérov systému pri výbere najvhodnejšej súčasti pre ich konkrétne požiadavky.
Poďme sa hlboko ponoriť do toho, ako fungujú IGBT a MOSFET, ich výhody a obmedzenia a kedy používať každý vo vysokorýchlostných aplikáciách.
Základy MOSFETS a IGBT
MOSFET sú zariadenia riadené napätím, ktoré umožňujú prúdenie prúdu z odtoku do zdroja, keď sa napätie aplikuje na bránu. Pracujú skôr cez elektrické pole ako vstrekovanie nosiča, vďaka čomu sú mimoriadne rýchle v prepínaní a vhodné pre vysokofrekvenčné operácie. Jednou z definujúcich čŕt MOSFETS je ich nízka požiadavka na prúd brány, vysoká vstupná impedancia a správanie lineárneho odporu, keď je v štáte. Vďaka tomu sú populárne v aplikáciách, kde je rozhodujúca jednoduchosť rýchlosti a riadenia.
Na druhej strane IGBT sú hybridom technológií MOSFET a Bipolar Junction Transistor (BJT). Využívajú štruktúru brány MOS na riadenie, ale bipolárne zvládajú prúd. Táto štruktúra umožňuje IGBT na kombinovanie ľahkých charakteristík pohonu MOSFETS s schopnosťami manipulácie s vysokým prúdom a napätím BJTS. Výsledkom je, že IGBT môžu prepínať veľké množstvo energie s relatívne malými bránovými prúdmi, ale ich rýchlosť prepínania je pomalšia v porovnaní s MOSFETS.
Manipulácia s napätím a prúdom
Hodnotenia napätia a prúdu patria medzi najdôležitejšie parametre pri rozhodovaní, či použiť MOSFET alebo IGBT. Všeobecne povedané, MOSFET sú efektívnejšie a praktickejšie pre aplikácie s napätím pod 250 až 300 voltov. Ich odolnosť v oblasti štátu (RDS (ON)) zostáva v tomto rozsahu nízka, čo zabezpečuje minimálne straty vedenia a účinnú prevádzku.
S rastúcim napätím sa však výrazne stúpa aj odpor MOSFETS, čo vedie k vyššiemu rozptylu energie. Tu svietia IgBT. IGBT manipulujú s vysokým napätím - typicky od 400 voltov do viac ako 1200 voltov - sú lepšie ako MOSFETS. Namiesto odporového vedenia vykazujú v štáte pevné pokles napätia (zvyčajne okolo 1,5 až 2,5 voltov), vďaka čomu sú predvídateľnejšie a efektívnejšie pre scenáre vysokého napätia.
Takže pri práci so systémami s nižším napätím, ktoré si vyžadujú rýchlu reakciu a nízke straty, sú MOSFET na výber. Pre stredné až vysoké napätia, najmä tie, ktoré majú významné súčasné požiadavky, IGBT poskytujú lepšiu účinnosť a výkon.
Úvahy o prepínaní rýchlosti
MOSFET majú výhodu, pokiaľ ide o rýchlosť prepínania. Sú schopní prevádzkovať pri frekvenciách vysoko nad 100 kHz, vďaka čomu sú ideálne na použitie v napájacích zdrojoch, prevodníkoch DC-DC a zvukových zosilňovačoch triedy D. Absencia injekcie menšinových nosičov im umožňuje rýchlo prepínať bez oneskorení spojených s rekombináciou.
IGBT, aj keď primerane rýchle, zažívajú počas odbočky to, čo sa nazýva 'Tail Current '. Výsledkom je uložené náboj v oblasti driftu zariadenia a obmedzuje ich prepínajúcu frekvenciu niekde okolo 20 až 30 kHz v najpraktickejších aplikáciách. Ak sú straty prepínania a elektromagnetické rušenie (EMI) problémom, najmä v vysokorýchlostných aplikáciách, MOSFET by sa lepšie hodil.
Avšak v mnohých priemyselných a automobilových systémoch-napríklad ako motorové jednotky alebo invertory elektrických vozidiel-sú rekordné frekvencie relatívne nízke a výhody vysokorýchlostného prepínania prevažujú nad vynikajúcim manipuláciou prúdu a napätia IGBT.
Straty a efektívnosť vedenia
Účinnosť výkonovej elektroniky do značnej miery závisí od toho, koľko energie sa stratí počas vedenia a prepínania. V prípade MOSFET je strata vodivosti úmerná štvorcovi prúdu vynásobeného odporom štátu. To znamená, že so zvyšujúcim sa prúdom sa straty vodivosti rýchlo zvyšujú, pokiaľ sa nepoužívajú MOSFET s nízkymi RDS (ON).
Naopak, IGBT majú takmer konštantnú stratu vedenia definovanú poklesom napätia cez terminály z kolektora emitora, keď sú zapnuté. Tento pokles sa významne nelíši s prúdom, čo znamená, že IGBT majú tendenciu byť efektívnejšie na vyšších úrovniach prúdu napriek ich pomalšej rýchlosti prepínania.
Pri nižších prúdoch a napätiach sú MOSFET vo všeobecnosti efektívnejšie. Ale ako sa úrovne výkonu zvyšujú - najmä nad 10 kilowattov - IGBT začínajú prekonávať MOSFETS kvôli ich nižším stratám vodivosti a lepšej tepelnej výkonnosti.
Tepelné riadenie a hustota energie
Riadenie tepla je vždy kľúčovým faktorom v elektronike. Nižšie straty prepínania MOSFETS pri nízkom napätí vedie k menšiemu tvorbe tepla, čo následne zjednodušuje požiadavky na chladenie. Ich menšia veľkosť matrice a kompaktné obaly navyše prispievajú k vyššej hustote energie v dizajnoch obmedzených vesmíru.
Na druhej strane, IGBT dokážu zvládnuť väčšie úrovne energie s lepšou tepelnou stabilitou, hoci počas prepínania generujú viac tepla. Preto systémy používajúce IGBT často vyžadujú pokročilejšie chladiace roztoky, ako sú väčšie chladiče alebo metódy aktívneho chladenia.
Kompromis je tu jasný: Ak aplikácia vyžaduje kompaktnosť a účinnosť pri nižšom napätí, MOSFET sú lepšie. Ale pri manipulácii s vysokými výkonnými a vysokými napätiami ponúkajú IGBT vynikajúcu tepelnú vytrvalosť za predpokladu, že je zavedené správne tepelné riadenie.
Zložitosť pohonu a riadenia brány
IgBT aj MOSFET sú zariadenia riadené napätím a na rozdiel od BJT nevyžadujú nepretržitý prúd. MOSFET však zvyčajne vyžadujú nižšie napätie brány (okolo 10 V alebo menej) a ich náboj brány je menší, čo umožňuje jednoduchšie a rýchlejšie hnacie obvody.
IGBT často vyžadujú mierne vyššie napätie hradla (zvyčajne ± 15 V na úplné prepínanie) a ich náboj brány je väčší. Vyžaduje si to starostlivejší návrh vodiča brány, najmä v aplikáciách vysokorýchlostného prepínania alebo vysokorýchlostných aplikácií, kde je kritická imunita hluku a načasovanie.
Napriek týmto rozdielom sú požiadavky na jednotku brány pre obidve zvládnuteľné s modernými integrovanými obvodmi, hoci MOSFET sa vo všeobecnosti považujú za ľahšie implementáciu v dizajnoch pre začiatočníkov alebo nákladovo citlivé.
Vhodnosť
MOSFET sa široko používajú v aplikáciách, kde rýchlosť prepínania je prioritou a úrovne napätia sú relatívne nízke. Patria sem prevodníky Buck and Boost, ovládače LED, prenosná elektronika a nízkonákladové ovládače motora. Vďaka ich účinnosti, malej veľkosti a jednoduchej kontrole sú ideálne pre spotrebiteľské zariadenia a obvody napájania.
IGBT sú dominantné v aplikáciách, kde sú potrebné vysoké napätie a vysoký prúd. Príklady zahŕňajú priemyselné motorové jednotky, systémy HVAC, invertory elektrických vozidiel, zváracie zariadenia a solárne meniče. Tieto systémy majú úžitok z robustnosti a schopnosti IGBT zvládnuť významné elektrické napätie bez ohrozenia spoľahlivosti.
Napríklad v elektrických vozidlách sa IGBT často nachádzajú v trakčných invertoroch a systémoch správy batérií, najmä v systémoch so 400 V alebo vyššou architektúrou batérie. Zatiaľ čo SIC MOSFET začínajú v tomto priestore konkurovať kvôli svojej vysokej účinnosti, IGBT zostávajú populárnou a nákladovo efektívnou voľbou pre mnoho vysokorýchlostných automobilových aplikácií.
Vznikajúce trendy: široké technológie Bandgap
Zatiaľ čo debata MOSFET vs. IGBT je stále relevantná, vznik širokých bandgap polovodičov posúva krajinu. Tranzistory kremíka (SIC) a tranzistory nitridu gallium (GAN) ponúkajú vyššie rozkladné napätie, nižšie straty prepínania a lepšiu tepelnú vodivosť ako ich náprotivky na báze kremíka.
Napríklad SIC MOSFETS sú schopné zvládnuť vysoké napätie s veľmi rýchlymi rýchlosťami prepínania, vďaka čomu sú silní uchádzači proti IGBT v rozmedzí 600 V až 1200 V. Aj keď je v súčasnosti drahšia, cenová medzera sa zatvára so zvyšovaním adopcie.
Tieto technológie sú obzvlášť atraktívne v špičkových oblastiach, ako je letectvo, EV rýchle nabíjanie a obnoviteľná energia, kde účinnosť a výkon stojí za dodatočné náklady. Pre mnoho komerčných a priemyselných aplikácií však zostávajú kremíkové MOSFETS a IGBT najpraktickejšími rozhodnutiami.
Záverečné myšlienky: Správne rozhodnutie
Výber medzi IGBT a MOSFET nie je rozhodnutím univerzálne. Závisí to od konkrétnych požiadaviek vašej aplikácie vrátane úrovní napätia a prúdu, frekvencie prepínania, tepelných limitov, nákladových obmedzení a celkovej zložitosti systému.
Ak vaša aplikácia zahŕňa relatívne nízke napätie a vysokú rýchlosť prepínania, MOSFET je pravdepodobne najlepšou voľbou. Ponúka lepšiu účinnosť, jednoduchšiu kontrolu a nižšiu EMI. Ak však váš systém pracuje pri vysokom napätí a prúde, najmä ak je rýchlosť prepínania menej kritická, IGBT poskytuje lepší tepelný výkon, spoľahlivosť a celkovú účinnosť.
Pochopenie prevádzkových silných stránok každého zariadenia umožňuje inžinierom robiť informované rozhodnutia o dizajne, optimalizovať výkon a zároveň minimalizovať straty, náklady a veľkosť systému. Keďže technológia pokračuje v rozvíjaní, najmä pri širokých bandgap polovodičoch vstupujúcich do hlavného prúdu, inžinieri budú mať ešte výkonnejšie nástroje, ktoré majú k dispozícii, aby vyhovovali požiadavkám ďalšej generácie energetických systémov.
