ในสนามอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วการเลือกอุปกรณ์สวิตช์ที่เหมาะสมนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ คู่แข่งสำคัญสองคนครองภูมิทัศน์เมื่อพูดถึงแอพพลิเคชั่นพลังสูง: ทรานซิสเตอร์ Bipolar Gate ที่หุ้มฉนวน (IGBT) และทรานซิสเตอร์ฟิลด์เอฟเฟกต์โลหะ (MOSFET) (MOSFET) แม้ว่าทั้งคู่มีจุดประสงค์ในการสลับและควบคุมพลังงานไฟฟ้า การทำความเข้าใจลักษณะของพวกเขาเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรและนักออกแบบระบบเมื่อเลือกองค์ประกอบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับข้อกำหนดเฉพาะของพวกเขา
ลองดำน้ำลึกลงไปในวิธีการทำงานของ IGBTS และ MOSFETS ข้อดีและข้อ จำกัด ของพวกเขาและเมื่อใดที่จะใช้แต่ละแอปพลิเคชันพลังงานสูง
พื้นฐานของ Mosfets และ IGBTS
MOSFETS เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตให้กระแสไหลจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มาเมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้ากับประตู พวกเขาทำงานผ่านสนามไฟฟ้ามากกว่าการฉีดผู้ให้บริการซึ่งทำให้พวกเขาเร็วมากในการสลับและเหมาะสำหรับการดำเนินงานความถี่สูง หนึ่งในคุณสมบัติที่กำหนดของ MOSFETs คือความต้องการกระแสไฟฟ้าต่ำของพวกเขาความต้านทานอินพุตสูงและพฤติกรรมการต้านทานเชิงเส้นเมื่ออยู่ในสถานะ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาได้รับความนิยมในแอปพลิเคชันที่ความเร็วและการควบคุมความเรียบง่ายมีความสำคัญ
ในทางกลับกัน IGBTS เป็นไฮบริดของเทคโนโลยี MOSFET และ Bipolar Junction Transistor (BJT) พวกเขาใช้โครงสร้างประตู MOS สำหรับการควบคุม แต่จัดการกระแสไฟฟ้าในลักษณะสองขั้ว โครงสร้างนี้อนุญาต IGBTs เพื่อรวมคุณสมบัติการขับเคลื่อนง่าย ๆ ของ MOSFETs กับความสามารถในการจัดการแรงดันไฟฟ้าสูงและแรงดันไฟฟ้าของ BJT เป็นผลให้ IGBT สามารถสลับพลังงานจำนวนมากด้วยกระแสประตูขนาดเล็ก แต่ความเร็วในการสลับของพวกเขาช้ากว่าเมื่อเทียบกับ MOSFET
แรงดันไฟฟ้าและการจัดการปัจจุบัน
การจัดอันดับแรงดันไฟฟ้าและปัจจุบันเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในการตัดสินใจว่าจะใช้ MOSFET หรือ IGBT โดยทั่วไปแล้ว MOSFETs มีประสิทธิภาพและใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 250 ถึง 300 โวลต์ ความต้านทานต่อรัฐ (RDS (ON)) ยังคงอยู่ในระดับต่ำในช่วงนี้ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าการสูญเสียการนำไฟฟ้าน้อยที่สุดและการดำเนินงานที่มีประสิทธิภาพ
อย่างไรก็ตามเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นความต้านทานของ MOSFET ก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญซึ่งนำไปสู่การกระจายพลังงานที่สูงขึ้น นี่คือที่ที่ IGBTS ส่องแสง IGBTS จัดการแรงดันไฟฟ้าสูง - ชนิดจาก 400 โวลต์ถึงมากกว่า 1,200 โวลต์ - ดีกว่า mosfets แทนที่จะเป็นการนำความต้านทานพวกเขาแสดงการลดลงของแรงดันไฟฟ้าคงที่ (โดยปกติประมาณ 1.5 ถึง 2.5 โวลต์) ในรัฐซึ่งทำให้พวกเขาคาดการณ์ได้และมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับสถานการณ์แรงดันสูง
ดังนั้นเมื่อทำงานกับระบบแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าที่ต้องการการตอบสนองอย่างรวดเร็วและการสูญเสียต่ำ MOSFETs เป็นตัวเลือกที่จะไปสู่ สำหรับระบบขนาดกลางถึงแรงดันสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบที่มีความต้องการในปัจจุบันอย่างมาก IGBTs ให้ประสิทธิภาพและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น
การพิจารณาความเร็วในการสลับ
Mosfets มีขอบในแง่ของความเร็วในการสลับ พวกเขามีความสามารถในการทำงานที่ความถี่สูงกว่า 100 kHz ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในแหล่งจ่ายไฟตัวแปลง DC-DC และแอมพลิฟายเออร์เสียงคลาส D การขาดการฉีดผู้ให้บริการชนกลุ่มน้อยช่วยให้พวกเขาสามารถสลับได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องมีความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับการรวมตัวกันใหม่
IGBTS ถึงแม้ว่าจะเร็วพอสมควรได้สัมผัสกับสิ่งที่เรียกว่า A 'Tail Current ' ในระหว่างการปิด สิ่งนี้เป็นผลมาจากการชาร์จที่เก็บไว้ในพื้นที่ดริฟท์ของอุปกรณ์และ จำกัด ความถี่การสลับของพวกเขาไว้ที่ประมาณ 20 ถึง 30 kHz ในการใช้งานที่ใช้งานได้จริงที่สุด หากการสลับการสูญเสียและสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นเรื่องที่น่ากังวลโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอพพลิเคชั่นความเร็วสูง MOSFET จะเหมาะสมกว่า
อย่างไรก็ตามในระบบอุตสาหกรรมและยานยนต์หลายระบบเช่นมอเตอร์ไดรฟ์หรืออินเวอร์เตอร์รถยนต์ไฟฟ้า-ความถี่ในการเปลี่ยนค่อนข้างต่ำและประโยชน์ของการสลับความเร็วสูงนั้นมีน้ำหนักเกินโดยกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่เหนือกว่าของ IGBT
การสูญเสียการนำไฟฟ้าและประสิทธิภาพ
ประสิทธิภาพในพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับจำนวนพลังงานที่สูญเสียไปในระหว่างการนำไฟฟ้าและการสลับ สำหรับ MOSFETS การสูญเสียการนำไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับสี่เหลี่ยมจัตุรัสของปัจจุบันคูณด้วยความต้านทานต่อรัฐ ซึ่งหมายความว่าเมื่อกระแสเพิ่มขึ้นการสูญเสียการนำจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเว้นแต่จะใช้ RDS (ON) ต่ำ (ON) MOSFETs
ในทางตรงกันข้าม IGBTs มีการสูญเสียการนำไฟฟ้าเกือบคงที่ที่กำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าลดลงในขั้วตัวสะสม-ตัวกระตุ้นเมื่อเปิด การลดลงนี้ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญกับกระแสซึ่งหมายความว่า IGBTs มักจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นในระดับกระแสที่สูงขึ้นแม้จะมีความเร็วในการสลับช้าลง
ที่กระแสน้ำและแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า MOSFET โดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพมากกว่า แต่เมื่อระดับพลังงานเพิ่มขึ้น - โดยเฉพาะอย่างยิ่งสูงกว่า 10 กิโลวัตต์ - IGBTS เริ่มสูงกว่า MOSFETs เนื่องจากการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำลงและประสิทธิภาพความร้อนที่ดีขึ้น
การจัดการความร้อนและความหนาแน่นพลังงาน
การจัดการความร้อนเป็นสิ่งสำคัญเสมอในการใช้พลังงานอิเล็กทรอนิกส์ การสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่าของ MOSFETS ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำส่งผลให้เกิดความร้อนน้อยลงซึ่งจะช่วยลดความต้องการในการระบายความร้อนได้ นอกจากนี้ขนาดตายขนาดเล็กและบรรจุภัณฑ์ขนาดกะทัดรัดของพวกเขายังช่วยให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นในการออกแบบที่ จำกัด พื้นที่
ในทางกลับกัน IGBT สามารถจัดการระดับพลังงานที่ใหญ่ขึ้นด้วยความเสถียรทางความร้อนที่ดีขึ้นแม้ว่าพวกเขาจะสร้างความร้อนมากขึ้นในระหว่างการสลับ ดังนั้นระบบที่ใช้ IGBTS มักจะต้องใช้โซลูชันการระบายความร้อนขั้นสูงเช่นฮีทซิงค์ขนาดใหญ่หรือวิธีการระบายความร้อนที่ใช้งานอยู่
การแลกเปลี่ยนที่นี่มีความชัดเจน: หากแอปพลิเคชันต้องการความกะทัดรัดและประสิทธิภาพที่แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า MOSFET จะดีกว่า แต่เมื่อจัดการโหลดแรงสูงและแรงดันสูง IGBTS มีความอดทนต่อความร้อนที่เหนือกว่าโดยมีเงื่อนไขว่ามีการจัดการความร้อนที่เหมาะสม
ไดรฟ์ประตูและความซับซ้อนในการควบคุม
ทั้ง IGBTS และ MOSFETs เป็นอุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้าและไม่ต้องการกระแสอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาผู้นำซึ่งแตกต่างจาก BJT อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้ว MOSFETS จะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าประตูต่ำกว่า (ประมาณ 10V หรือน้อยกว่า) และประจุประตูของพวกเขามีขนาดเล็กลงทำให้วงจรไดรฟ์ง่ายขึ้นและเร็วขึ้น
IGBTS มักจะต้องการแรงดันไฟฟ้าเกตที่สูงขึ้นเล็กน้อย (โดยปกติ± 15V สำหรับการสลับเต็ม) และประจุประตูของพวกเขามีขนาดใหญ่กว่า สิ่งนี้จำเป็นต้องมีการออกแบบอย่างระมัดระวังมากขึ้นของไดรเวอร์ประตูโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสลับความเร็วสูงหรือแอพพลิเคชั่นแรงดันสูงที่ภูมิคุ้มกันและเวลามีความสำคัญ
แม้จะมีความแตกต่างเหล่านี้ แต่ข้อกำหนดของ Gate Drive สำหรับทั้งคู่สามารถจัดการกับวงจรรวมที่ทันสมัยแม้ว่า MOSFET จะถือว่าง่ายต่อการใช้งานในการออกแบบที่เป็นมิตรกับต้นทุนหรือต้นทุน
ความเหมาะสมของแอปพลิเคชัน
MOSFETs ใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่ความเร็วในการสลับเป็นลำดับความสำคัญและระดับแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำ เหล่านี้รวมถึงตัวแปลง Buck และ Boost, ไดรเวอร์ LED, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและตัวควบคุมมอเตอร์แรงดันไฟฟ้าต่ำ ประสิทธิภาพขนาดเล็กและการควบคุมที่เรียบง่ายทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ผู้บริโภคและวงจรจ่ายไฟ
IGBTs โดดเด่นในแอปพลิเคชันที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงและความสามารถในปัจจุบันสูง ตัวอย่าง ได้แก่ ไดรฟ์มอเตอร์อุตสาหกรรมระบบ HVAC อินเวอร์เตอร์รถยนต์ไฟฟ้าอุปกรณ์เชื่อมและอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ ระบบเหล่านี้ได้รับประโยชน์จากความทนทานและความสามารถของ IGBT ในการจัดการกับความเครียดทางไฟฟ้าที่สำคัญโดยไม่ลดความน่าเชื่อถือ
ในยานพาหนะไฟฟ้าเช่น IGBTs มักจะพบในอินเวอร์เตอร์ลากและระบบการจัดการแบตเตอรี่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่มีสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ 400V หรือสูงกว่า ในขณะที่ SIC MOSFETS เริ่มแข่งขันในพื้นที่นี้เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง IGBTS ยังคงเป็นทางเลือกที่ได้รับความนิยมและคุ้มค่าสำหรับแอพพลิเคชั่นยานยนต์พลังงานสูงจำนวนมาก
แนวโน้มที่เกิดขึ้นใหม่: เทคโนโลยี Bandgap กว้าง
ในขณะที่การอภิปราย MOSFET vs. IGBT ยังคงมีความเกี่ยวข้องการเกิดขึ้นของเซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้างกำลังเปลี่ยนภูมิทัศน์ Silicon Carbide (SIC) Mosfets และ Gallium Nitride (GAN) ให้แรงดันไฟฟ้าที่มีการสลายตัวสูงขึ้นการสูญเสียการสลับที่ต่ำกว่าและการนำความร้อนที่ดีกว่าคู่ซิลิคอน
ตัวอย่างเช่น Sic Mosfets มีความสามารถในการจัดการแรงดันไฟฟ้าสูงด้วยความเร็วในการสลับที่รวดเร็วมากทำให้พวกเขาเข้าร่วมการแข่งขันที่แข็งแกร่งกับ IGBTs ในช่วง 600V ถึง 1200V แม้ว่าในปัจจุบันจะมีราคาแพงกว่า แต่ช่องว่างของราคาก็ปิดตัวลงเมื่อการรับเลี้ยงบุตรบุญธรรมเพิ่มขึ้น
เทคโนโลยีเหล่านี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษในสาขาที่ทันสมัยเช่นการบินและอวกาศการชาร์จอย่างรวดเร็วและพลังงานหมุนเวียนซึ่งประสิทธิภาพและประสิทธิภาพมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม อย่างไรก็ตามสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมจำนวนมาก Silicon Mosfets และ IGBTS ยังคงเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงที่สุด
ความคิดสุดท้าย: การเลือกที่ถูกต้อง
การเลือกระหว่าง IGBT และ MOSFET ไม่ใช่การตัดสินใจขนาดเดียวที่เหมาะกับทุกคน ขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันของคุณรวมถึงแรงดันไฟฟ้าและระดับปัจจุบันความถี่สลับการ จำกัด ความร้อนข้อ จำกัด ด้านต้นทุนและความซับซ้อนของระบบโดยรวม
หากแอปพลิเคชันของคุณเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำและความเร็วในการสลับสูง MOSFET น่าจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด ให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นการควบคุมที่ง่ายขึ้นและ EMI ที่ต่ำกว่า แต่ถ้าระบบของคุณทำงานที่แรงดันสูงและกระแสไฟฟ้าโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความเร็วในการสลับมีความสำคัญน้อยกว่า IGBT จะให้ประสิทธิภาพความร้อนความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีขึ้น
การทำความเข้าใจกับความแข็งแกร่งในการปฏิบัติงานของอุปกรณ์แต่ละเครื่องช่วยให้วิศวกรสามารถเลือกการออกแบบที่มีข้อมูลเพิ่มประสิทธิภาพการเพิ่มประสิทธิภาพในขณะที่ลดการสูญเสียต้นทุนและขนาดของระบบให้น้อยที่สุด ในขณะที่เทคโนโลยียังคงดำเนินต่อไปโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเซมิคอนดักเตอร์ bandgap ที่กว้างเข้าสู่กระแสหลักวิศวกรจะมีเครื่องมือที่ทรงพลังยิ่งขึ้นในการกำจัดของพวกเขาเพื่อตอบสนองความต้องการของระบบพลังงานรุ่นต่อไป
