Na hitrem razvijanju elektroenergetske elektronike je izbira prave preklopne naprave ključnega pomena za doseganje učinkovitosti, zanesljivosti in zmogljivosti. Dva glavna kandidata prevladujeta v pokrajini, ko gre za aplikacije z visoko močjo: Izolirani bipolarni tranzistor (IGBT) in tranzistor iz kovinskega oksida-polprevodnika (MOSFET). Čeprav oba služita namenu preklopa in nadzora električne energije, delujeta povsem drugače in ponujata edinstvene prednosti, odvisno od aplikacije. Razumevanje njihovih značilnosti je bistvenega pomena za inženirje in oblikovalce sistema pri izbiri najprimernejše komponente za njihove posebne zahteve.
Vzemimo se globoko potapljanje v to, kako delujejo IGBT in MOSFET, njihove prednosti in omejitve in kdaj jih uporabiti v aplikacijah z visoko močjo.
Osnove MOSFETS in IGBTS
MOSFET so naprave, ki jih nadzorujejo napetosti, ki omogočajo, da tok pretaka iz odtoka v vir, ko se na vrata naneseta napetost. Delujejo skozi električno polje in ne v injekcijo nosilca, zaradi česar so izjemno hitro pri preklopu in primerni za visokofrekvenčne operacije. Ena izmed odločilnih značilnosti MOSFET je njihova nizka zahteva vrat, visoka vhodna impedanca in vedenje linearne odpornosti, če so v državi. Zaradi tega so priljubljene v aplikacijah, kjer sta hitrost in nadzor nad nadzorom ključnega pomena.
IGBT -ji so na drugi strani hibrid tehnologij MOSFET in bipolarnega stičišča (BJT). Za nadzor uporabljajo strukturo vrat MOS, vendar na bipolarni način ravnajo s tokom. Ta struktura omogoča IGBT -ji za združevanje lahkih pogonskih značilnosti MOSFET z zmogljivostmi za ravnanje z visokim tokom in napetosti BJT -jev. Kot rezultat, lahko IGBT preklopijo velike količine moči z razmeroma majhnimi vrati tokov, vendar je njihova hitrost preklopa v primerjavi z MOSFET počasnejša.
Ravnanje z napetostjo in tokom
Ocene napetosti in toka so med najbolj kritičnimi parametri pri odločanju, ali bomo uporabili MOSFET ali IGBT. Na splošno so MOSFET -ji učinkovitejši in praktični za aplikacije z napetostmi pod 250 do 300 voltov. Njihova odpornost na državo (RDS (ON)) ostaja nizka v tem območju, kar zagotavlja minimalne izgube prevodnosti in učinkovito delovanje.
Ko pa se napetost povečuje, se tudi na odpornost na MOSFET-ov znatno dvigne, kar vodi do večjega odvajanja moči. Tu zasijejo IGBT. IGBT -ji obravnavajo visoke napetosti - od 400 voltov do več kot 1200 voltov - veliko bolje kot MOSFET. Namesto uporovne prevodnosti imajo v državni državi fiksni padec napetosti (običajno približno 1,5 do 2,5 voltov), zaradi česar so bolj predvidljivi in učinkoviti za scenarije z visokimi napetostmi.
Torej, pri delu z nižjimi napetostnimi sistemi, ki zahtevajo hiter odziv in nizke izgube, so MOSFET-ji izbira. Za srednje do visokonapetostne sisteme, zlasti tiste z velikimi trenutnimi zahtevami, IGBT zagotavljajo boljšo učinkovitost in uspešnost.
Preklapljanje hitrosti
MOSFETS ima rob v smislu hitrosti preklopa. Sposobni so delovati na frekvencah precej nad 100 kHz, zaradi česar so idealni za uporabo v napajalnikih, DC-DC pretvornikih in zvočnih ojačevalnikih razreda D. Odsotnost vbrizgavanja manjšinskih nosilcev jim omogoča hitro preklop brez zamud, povezanih z rekombinacijo.
IGBT, čeprav dokaj hitri, med izklopom doživljajo tisto, kar je znano kot 'rep tok '. To je posledica shranjenega naboja v območju premika naprave in v večini praktičnih aplikacij omejuje njihovo preklopno frekvenco na nekje okoli 20 do 30 kHz. Če so zaskrbljujoče preklopne izgube in elektromagnetne motnje (EMI), zlasti pri aplikacijah za visoke hitrosti, bi bil MOSFET boljši.
Vendar pa so v številnih industrijskih in avtomobilskih sistemih-na primer motornih pogonih ali pretvornikih električnih vozil-frekvence preklapljanja sorazmerno nizke, prednosti preklopa hitrih hitrosti pa odtehtajo z vrhunskim ravnanjem s tokom in napetosti IGBT.
Izgube in učinkovitost prevodnosti
Učinkovitost v električni elektroniki je v veliki meri odvisna od izgube energije med prevodnostjo in preklopom. Za MOSFET je izguba prevodnosti sorazmerna s kvadratom toka, pomnoženega z odpornostjo na državni državi. To pomeni, da se s povečevanjem toka izgube prevodnosti hitro povečujejo, razen če se ne uporabljajo nizki RDS (na) MOSFET.
IGBT-ji imajo v nasprotju s skoraj konstantno izgubo prevodnosti, ki je določena z padcem napetosti čez sponke zbiralnika, ko je vklopljena. Ta padec se ne razlikuje bistveno glede na tok, kar pomeni, da so IGBT -ji ponavadi učinkovitejši pri višjih tokovnih ravneh kljub počasnejši hitrosti preklopa.
Pri nižjih tokovih in napetostih so MOSFET na splošno učinkovitejši. Ker pa se ravni moči povečujejo - zlasti nad 10 kilovatov - IGBT začnejo presegati MOSFET zaradi manjših izgub prevodnosti in boljše toplotne zmogljivosti.
Toplotno upravljanje in gostota moči
Upravljanje toplote je vedno ključno pozornost pri elektronski elektroniki. Nižje izgube preklopa MOSFET pri nizkih napetostih povzroči manj proizvodnje toplote, kar posledično poenostavi hladilne zahteve. Poleg tega njihova manjša velikost matrice in kompaktna embalaža prispevata k večji gostoti moči pri modelih, omejenih s vesoljem.
Po drugi strani pa lahko IGBT dosežejo večjo raven moči z boljšo toplotno stabilnostjo, čeprav med preklopom ustvarjajo več toplote. Zato sistemi, ki uporabljajo IGBT, pogosto potrebujejo naprednejše hladilne rešitve, kot so večje ogrevanje ali aktivne metode hlajenja.
Tukaj je jasna kompromis: če aplikacija zahteva kompaktnost in učinkovitost pri nižjih napetostih, so MOSFET boljši. Toda pri ravnanju z veliko močjo in visokonapetostnimi obremenitvami IGBT ponujajo vrhunsko toplotno vzdržljivost, pod pogojem, da je pravilno toplotno upravljanje.
Vrata pogona in krmilna kompleksnost
Tako IGBT kot MOSFET so naprave, ki temeljijo na napetosti in za vzdrževanje prevodnosti ne potrebujejo neprekinjenega toka, za razliko od BJT. Vendar MOSFET običajno potrebujejo spodnje napetosti vrat (približno 10 V ali manj), njihov naboj vrat pa je manjši, kar omogoča enostavnejše in hitrejše pogonsko vezje.
IGBT pogosto potrebujejo nekoliko večje napetosti vrat (običajno ± 15V za popolno preklapljanje), njihov naboj vrat pa je večji. To zahteva natančnejšo zasnovo gonilnika vrat, zlasti pri hitri stikalni ali visokonapetostni uporabi, kjer sta imunost in čas hrupa kritična.
Kljub tem razlikam so zahteve za pogon vrat za oba obvladljive s sodobnimi integriranimi vezji, čeprav se MOSFET na splošno štejejo za lažje izvajanje v začetniku prijaznih ali stroškovno občutljivih modelov.
Primernost aplikacije
MOSFET se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kjer je hitrost preklopa prednostna naloga, napetostne ravni pa so relativno nizke. Sem spadajo pretvorniki Buck in Boost, LED gonilniki, prenosna elektronika in nizkonapetostni motorični krmilniki. Njihova učinkovitost, majhna velikost in preprost nadzor so idealni za potrošniške naprave in vezja za napajanje.
IGBT prevladujejo v aplikacijah, kjer so potrebne visoke napetosti in visoke tokovne zmogljivosti. Primeri vključujejo industrijske motorne pogone, sisteme HVAC, pretvornike električnih vozil, varilno opremo in sončne pretvornike. Ti sistemi imajo koristi od robustnosti IGBT in sposobnosti obvladovanja pomembnega električnega stresa, ne da bi pri tem ogrozili zanesljivost.
V električnih vozilih, na primer, IGBT pogosto najdemo v vlečnih pretvornikih in sistemih za upravljanje baterij, zlasti v sistemih s 400V ali višjo arhitekturo baterije. Medtem ko SIC MOSFETS v tem prostoru začenja tekmovati zaradi svoje visoke učinkovitosti, IGBT ostajajo priljubljena in stroškovno učinkovita izbira za številne avtomobilske aplikacije z visoko močjo.
Nastajajoči trendi: široke tehnologije pasu
Medtem ko je razprava o MOSFET proti IGBT še vedno pomembna, pojav širokih polprevodnikov pasu spreminja pokrajino. Tranzistorji silicijevega karbida (sic) MOSFETS in galijev nitrid (GAN) ponujajo večje napetosti razpada, nižje izgube preklopa in boljšo toplotno prevodnost kot njihovi kolegi na osnovi silicija.
SIC MOSFET so na primer sposobni ravnati z visokimi napetostmi z zelo hitrimi hitrostmi preklopa, zaradi česar so močni kandidati proti IGBT v območju 600V do 1200 V. Čeprav je trenutno dražja, se vrzel v ceni zapira, ko se sprejemanje povečuje.
Te tehnologije so še posebej privlačne na vrhunskih poljih, kot so vesoljska vesolje, hitro polnjenje EV in obnovljive vire energije, kjer sta učinkovitost in uspešnost vredna dodatnih stroškov. Vendar za številne komercialne in industrijske aplikacije ostajajo najbolj praktične odločitve silicijeve mosfete in IGBT.
Končne misli: pravilno izbiro
Izbira med IGBT in MOSFET ni odločitev, ki ustreza vsem. Odvisno je od posebnih zahtev vaše aplikacije, vključno z napetostjo in tokovnim nivojem, preklopno frekvenco, toplotne omejitve, omejitve stroškov in celotno kompleksnostjo sistema.
Če vaša aplikacija vključuje relativno nizko napetost in visoko hitrost preklopa, je MOSFET verjetno najboljša možnost. Ponuja boljšo učinkovitost, preprostejši nadzor in nižji EMI. Če pa vaš sistem deluje pri visoki napetosti in toku, zlasti kadar je hitrost preklopa manj kritična, IGBT zagotavlja boljše toplotne zmogljivosti, zanesljivost in splošno učinkovitost.
Razumevanje operativnih prednosti vsake naprave omogoča inženirjem, da sprejemajo informirane oblikovalske odločitve, optimizirajo zmogljivost, hkrati pa zmanjšajo izgube, stroške in velikost sistema. Ker tehnologija še naprej napreduje, zlasti s širokimi pasovnimi polprevodniki, ki vstopajo v glavni tok, bodo inženirji imeli na razpolago še močnejša orodja, ki bodo ustrezala zahtevam naslednje generacije elektroenergetskih sistemov.
