Trong lĩnh vực phát triển nhanh của các thiết bị điện tử công suất, việc chọn thiết bị chuyển đổi phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả, độ tin cậy và hiệu suất. Hai ứng cử viên chính thống trị cảnh quan khi nói đến các ứng dụng công suất cao: Transitor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) và bóng bán dẫn trường học trường-oxit-oxide-semocation (MOSFET). Mặc dù cả hai phục vụ mục đích chuyển đổi và kiểm soát năng lượng điện, nhưng chúng hoạt động khá khác nhau và cung cấp các lợi thế độc đáo tùy thuộc vào ứng dụng. Hiểu đặc điểm của họ là điều cần thiết cho các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống khi chọn thành phần phù hợp nhất cho các yêu cầu cụ thể của họ.
Chúng ta hãy đi sâu vào cách IGBTS và MOSFET hoạt động, lợi thế và hạn chế của chúng và khi nào nên sử dụng mỗi ứng dụng công suất cao.
Các nguyên tắc cơ bản của MOSFET và IGBTS
MOSFET là các thiết bị điều khiển điện áp cho phép dòng điện chảy từ cống đến nguồn khi áp dụng điện áp cho cổng. Chúng hoạt động thông qua một điện trường thay vì tiêm sóng mang, điều này làm cho chúng cực kỳ nhanh trong việc chuyển đổi và phù hợp cho các hoạt động tần số cao. Một trong những tính năng xác định của MOSFET là yêu cầu dòng cổng thấp, trở kháng đầu vào cao và hành vi kháng tuyến tính khi ở trạng thái. Điều này làm cho chúng phổ biến trong các ứng dụng trong đó tốc độ và kiểm soát đơn giản là rất quan trọng.
IGBT, mặt khác, là một sự kết hợp của các công nghệ bóng bán dẫn của MOSFET và Bipolar Junction (BJT). Họ sử dụng cấu trúc cổng MOS để kiểm soát nhưng xử lý dòng điện theo cách lưỡng cực. Cấu trúc này cho phép IGBT để kết hợp các đặc tính ổ đĩa dễ dàng của MOSFET với khả năng xử lý điện áp và dòng điện cao của BJTS. Do đó, IGBT có thể chuyển đổi một lượng công suất lớn với dòng cổng tương đối nhỏ, nhưng tốc độ chuyển đổi của chúng chậm hơn so với MOSFET.
Điện áp và xử lý hiện tại
Điện áp và xếp hạng hiện tại là một trong những thông số quan trọng nhất trong việc quyết định sử dụng MOSFET hay IGBT. Nói chung, MOSFET hiệu quả hơn và thiết thực hơn cho các ứng dụng có điện áp dưới 250 đến 300 volt. Điện trở tại trạng thái của họ (RDS (ON)) vẫn ở mức thấp trong phạm vi này, đảm bảo tổn thất dẫn truyền tối thiểu và hoạt động hiệu quả.
Tuy nhiên, khi điện áp tăng, độ bền của MOSFET cũng tăng đáng kể, dẫn đến sự tiêu tán công suất cao hơn. Đây là nơi IGBTS tỏa sáng. IGBT xử lý các điện áp cao, theo cách thường từ 400 volt đến hơn 1200 volt, tốt hơn so với MOSFET. Thay vì dẫn điện trở lên, chúng thể hiện sự sụt giảm điện áp cố định (thường là khoảng 1,5 đến 2,5 volt) trong trạng thái, điều này khiến chúng có thể dự đoán được và hiệu quả hơn cho các kịch bản điện áp cao.
Vì vậy, khi làm việc với các hệ thống điện áp thấp hơn đòi hỏi phản ứng nhanh và tổn thất thấp, MOSFET là sự lựa chọn. Đối với các hệ thống điện áp trung bình đến cao, đặc biệt là những hệ thống có yêu cầu hiện tại đáng kể, IGBT cung cấp hiệu quả và hiệu suất tốt hơn.
Chuyển đổi xem xét tốc độ
MOSFET có lợi thế về tốc độ chuyển đổi. Chúng có khả năng hoạt động ở tần số cao hơn 100 kHz, điều này khiến chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong nguồn cung cấp năng lượng, bộ chuyển đổi DC-DC và bộ khuếch đại âm thanh loại D. Việc không có tiêm tàu sân bay thiểu số cho phép họ chuyển đổi nhanh chóng mà không có sự chậm trễ liên quan đến tái tổ hợp.
IGBTS, mặc dù nhanh chóng, trải nghiệm những gì được gọi là 'dòng đuôi ' trong khi tắt. Điều này là kết quả từ điện tích được lưu trữ trong vùng trôi của thiết bị và giới hạn tần suất chuyển đổi của chúng xuống khoảng 20 đến 30 kHz trong hầu hết các ứng dụng thực tế. Nếu chuyển đổi tổn thất và nhiễu điện từ (EMI) là một mối quan tâm, đặc biệt là trong các ứng dụng tốc độ cao, MOSFET sẽ phù hợp hơn.
Tuy nhiên, trong nhiều hệ thống công nghiệp và ô tô, ví dụ như lái xe máy hoặc bộ biến tần xe điện, tần số chuyển đổi tần số tương đối thấp và lợi ích của việc chuyển đổi tốc độ cao vượt trội so với xử lý dòng điện và điện áp vượt trội của IGBT.
Tổn thất dẫn truyền và hiệu quả
Hiệu quả trong điện tử công suất phần lớn phụ thuộc vào lượng năng lượng bị mất trong quá trình dẫn và chuyển đổi. Đối với MOSFET, tổn thất dẫn truyền tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện nhân với điện trở tại trạng thái. Điều này có nghĩa là khi hiện tại tăng, tổn thất dẫn truyền tăng nhanh trừ khi sử dụng MOSFE của RDS (BẬT).
Ngược lại, IGBT có tổn thất dẫn truyền gần như không đổi được xác định bởi sự sụt giảm điện áp trên các thiết bị đầu cuối bộ thu-bộ tạo khi bật. Sự sụt giảm này không thay đổi đáng kể theo dòng điện, điều đó có nghĩa là IGBT có xu hướng hiệu quả hơn ở mức hiện tại cao hơn mặc dù tốc độ chuyển đổi chậm hơn của chúng.
Ở dòng điện và điện áp thấp hơn, MOSFET thường hiệu quả hơn. Nhưng khi mức độ năng lượng tăng lên, đặc biệt là trên 10 kilowatt, Igbts bắt đầu vượt trội so với MOSFETS do tổn thất dẫn truyền thấp hơn và hiệu suất nhiệt tốt hơn.
Quản lý nhiệt và mật độ năng lượng
Quản lý nhiệt luôn là một cân nhắc quan trọng trong điện tử công suất. Tổn thất chuyển đổi thấp hơn của MOSFET ở điện áp thấp dẫn đến việc tạo nhiệt ít hơn, từ đó đơn giản hóa các yêu cầu làm mát. Ngoài ra, kích thước khuôn nhỏ hơn và bao bì nhỏ gọn của chúng góp phần vào mật độ công suất cao hơn trong các thiết kế bị hạn chế không gian.
Mặt khác, IGBT có thể xử lý các mức năng lượng lớn hơn với độ ổn định nhiệt tốt hơn, mặc dù chúng tạo ra nhiều nhiệt hơn trong quá trình chuyển đổi. Do đó, các hệ thống sử dụng IGBT thường yêu cầu các giải pháp làm mát tiên tiến hơn, chẳng hạn như các tản nhiệt lớn hơn hoặc phương pháp làm mát hoạt động.
Việc đánh đổi ở đây rất rõ ràng: nếu ứng dụng yêu cầu tính toán và hiệu quả ở điện áp thấp hơn, MOSFET sẽ tốt hơn. Nhưng khi xử lý tải trọng cao và điện áp cao, IGBT cung cấp độ bền nhiệt vượt trội, với điều kiện là quản lý nhiệt thích hợp được đưa ra.
Ổ đĩa cổng và kiểm soát độ phức tạp
Cả IGBT và MOSFET đều là các thiết bị điều khiển bằng điện áp và không yêu cầu dòng điện liên tục để duy trì sự dẫn truyền, không giống như BJT. Tuy nhiên, MOSFET thường yêu cầu điện áp cổng thấp hơn (khoảng 10V trở xuống) và điện tích cổng của chúng nhỏ hơn, cho phép mạch truyền động đơn giản và nhanh hơn.
IGBT thường yêu cầu điện áp cổng cao hơn một chút (thường là ± 15V để chuyển đổi đầy đủ) và điện tích cổng của chúng lớn hơn. Điều này đòi hỏi thiết kế cẩn thận hơn của trình điều khiển cổng, đặc biệt là trong các ứng dụng chuyển đổi tốc độ cao hoặc điện áp cao trong đó miễn dịch và thời gian nhiễu là rất quan trọng.
Mặc dù có những khác biệt này, các yêu cầu ổ đĩa cổng cho cả hai đều có thể quản lý được với các mạch tích hợp hiện đại, mặc dù MOSFET thường được coi là dễ thực hiện hơn trong các thiết kế thân thiện với người mới bắt đầu hoặc nhạy cảm với chi phí.
Phù hợp ứng dụng
MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng trong đó tốc độ chuyển đổi là mức độ ưu tiên và mức điện áp tương đối thấp. Chúng bao gồm các bộ chuyển đổi Buck và Boost, trình điều khiển LED, thiết bị điện tử di động và bộ điều khiển động cơ điện áp thấp. Hiệu quả, kích thước nhỏ và kiểm soát đơn giản của chúng làm cho chúng lý tưởng cho các thiết bị tiêu dùng và mạch cung cấp điện.
IGBT chiếm ưu thế trong các ứng dụng mà điện áp cao và khả năng hiện tại cao là cần thiết. Các ví dụ bao gồm ổ đĩa động cơ công nghiệp, hệ thống HVAC, bộ biến tần xe điện, thiết bị hàn và bộ biến tần mặt trời. Các hệ thống này được hưởng lợi từ sự mạnh mẽ và khả năng của IGBT để xử lý căng thẳng điện đáng kể mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy.
Ví dụ, trong xe điện, IGBT thường được tìm thấy trong các bộ biến tần lực kéo và hệ thống quản lý pin, đặc biệt là trong các hệ thống có kiến trúc pin 400V hoặc cao hơn. Mặc dù SIC MOSFET đang bắt đầu cạnh tranh trong không gian này do hiệu quả cao của chúng, IGBT vẫn là một lựa chọn phổ biến và hiệu quả về chi phí cho nhiều ứng dụng ô tô công suất cao.
Xu hướng mới nổi: Công nghệ Bandgap rộng
Trong khi cuộc tranh luận MOSFET so với IGBT vẫn còn liên quan, sự xuất hiện của các chất bán dẫn bandgap rộng đang thay đổi cảnh quan. MOSFETS Silicon cacbua (SIC) và bóng bán dẫn gallium nitride (GaN) cung cấp điện áp phân hủy cao hơn, tổn thất chuyển mạch thấp hơn và độ dẫn nhiệt tốt hơn so với các đối tác dựa trên silicon của chúng.
Ví dụ, SIC MOSFET có khả năng xử lý các điện áp cao với tốc độ chuyển đổi rất nhanh, khiến chúng trở thành ứng cử viên mạnh mẽ chống lại IGBT trong phạm vi 600V đến 1200V. Mặc dù hiện tại đắt hơn, khoảng cách giá đang đóng cửa khi việc áp dụng tăng.
Những công nghệ này đặc biệt hấp dẫn trong các lĩnh vực tiên tiến như hàng không vũ trụ, sạc nhanh EV và năng lượng tái tạo, trong đó hiệu quả và hiệu suất có giá trị chi phí bổ sung. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng thương mại và công nghiệp, Silicon MOSFET và IGBT vẫn là lựa chọn thực tế nhất.
Suy nghĩ cuối cùng: Đưa ra lựa chọn đúng đắn
Lựa chọn giữa IGBT và MOSFET không phải là quyết định một kích cỡ phù hợp với tất cả. Nó phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của ứng dụng của bạn, bao gồm các mức điện áp và hiện tại, tần số chuyển đổi, giới hạn nhiệt, hạn chế chi phí và độ phức tạp của hệ thống tổng thể.
Nếu ứng dụng của bạn liên quan đến điện áp tương đối thấp và tốc độ chuyển đổi cao, MOSFET có thể là lựa chọn tốt nhất. Nó cung cấp hiệu quả tốt hơn, kiểm soát đơn giản hơn và EMI thấp hơn. Nhưng nếu hệ thống của bạn hoạt động ở điện áp và dòng điện cao, đặc biệt là khi tốc độ chuyển đổi ít quan trọng hơn, IGBT cung cấp hiệu suất nhiệt, độ tin cậy và hiệu quả tổng thể tốt hơn.
Hiểu các điểm mạnh hoạt động của từng thiết bị cho phép các kỹ sư đưa ra các lựa chọn thiết kế sáng suốt, tối ưu hóa hiệu suất trong khi giảm thiểu tổn thất, chi phí và kích thước hệ thống. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, đặc biệt là với các chất bán dẫn Bandgap rộng vào dòng chính, các kỹ sư sẽ có các công cụ mạnh mẽ hơn theo ý của họ để đáp ứng nhu cầu của thế hệ hệ thống điện tiếp theo.
