Tehokkaat MOSFET- ja IGBT-transistorit, niiden erot ja ominaisuudet

Voimaelektroniikan alalla kehitetään jatkuvasti tekniikkaa: releistä tulee solid state, bipolaaritransistorit ja tiristorit korvataan yhä laajemmin kenttävaikutteisilla transistoreilla, uusia materiaaleja kehitetään ja käytetään kondensaattoreissa jne. - aktiivinen teknologinen kehitys on selvästi nähtävissä kaikkialla, joka ei lopu vuodeksi. Mikä syy tähän on?

Tämä johtuu selvästi tosiasiasta, että valmistajat eivät missään vaiheessa kykene tyydyttämään kuluttajien vaatimuksia tehoelektroniikan ominaisuuksista ja laadusta: rele kipinöi ja polttaa koskettimia, bipolaaritransistorit vaativat liian paljon virtaa hallitakseen, voimayksiköitä ei voida hyväksyä paljon tilaa jne. Valmistajat kilpailevat keskenään - kuka tarjoaa ensimmäisenä parhaan vaihtoehdon ...?

Joten kentän MOSFET-transistorit ilmestyivät, joiden ansiosta varauskuljettimien virtauksen hallinta sai mahdolliseksi muuttamatta kantavirtaa, kuten bipolaariset esi-isät, ja itse asiassa ikkunaluukun sähkökentän avulla - yksinkertaisesti lisäämällä jännitettä kaihtimeen.

Seurauksena oli, että 2000-luvun alussa MOSFET- ja IGBT-laitteiden osuus voimalaitteista oli noin 30%, kun taas bipolaaritransistorien osuus tehoelektroniikassa pysyi alle 20%. Viimeisen 15 vuoden aikana läpimurto on ollut vielä merkittävämpi, ja klassiset bipolaaritransistorit melkein kokonaan antoi tien MOSFET: lle ja IGBT: lle ohjattujen tehopuolijohdekytkinten segmentissä.

Suunnittelu esimerkiksi korkeataajuusmuuttaja, kehittäjä valitsee jo MOSFETin ja IGBT: n välillä - molempia ohjataan portille syötetyllä jännitteellä, ei virralla, kuten bipolaarisilla transistoreilla, ja ohjauspiirit ovat sen vuoksi yksinkertaisempia. Tarkastelkaamme kuitenkin näiden erittäin transistorien ominaisuuksia, joita hilajännite ohjaa.

MOSFET tai IGBT

IGBT: ssä (IGBT bipolaaritransistori eristetyllä hilalla) avoimessa tilassa käyttövirta kulkee p-n-liitoksen kautta ja MOSFET - viemärilähdekanavan kautta, jolla on resistiivinen luonne. Joten tehonpoistomahdollisuudet ovat nämä laitteet erilaiset, häviöt ovat erilaiset: MOSFET-kenttämiehelle haihtunut teho on verrannollinen kanavan läpi kulkevan virran neliöön ja kanavanresistanssiin, kun taas IGBT: ssä haihtunut teho on verrannollinen kollektorin-emitterin kylläisyysjännitteeseen ja kanavan läpi kulkevaan virtaan. ensimmäisessä asteessa.

Jos joudumme vähentämään avainhäviöitä, meidän on valittava MOSFET, jolla on alhaisempi kanavan vastus, mutta älä unohda, että puolijohdelämpötilan noustessa tämä vastus kasvaa ja lämmityshäviöt kasvavat edelleen. Mutta IGBT: n kanssa lämpötilan noustessa pn-liitoksen kylläisyysjännite päinvastoin vähenee, mikä tarkoittaa, että lämmityshäviöt vähenevät.

Mutta kaikki ei ole niin yksinkertaista, kuin voi tuntua tehoelektroniikasta kokemattoman henkilön silmissä. IGBT: n ja MOSFETin menetysmääritysmekanismit ovat pohjimmiltaan erilaisia.

Kuten ymmärrät, MOSFET-transistorissa kanavan vastus johtavassa tilassa aiheuttaa siihen tiettyjä tehohäviöitä, jotka ovat tilastojen mukaan melkein neljä kertaa suurempia kuin portin ohjaukseen käytetty teho.

IGBT: llä tilanne on aivan päinvastainen: siirtymävaiheen menetykset ovat pienemmät, mutta hallinnan energiakustannukset ovat suurempia. Puhumme noin 60 kHz: n taajuuksista, ja mitä korkeampi taajuus, sitä suurempi valotuksen menetyksen menetys etenkin IGBT: n suhteen.

Asia on se, että MOSFET: ssä vähemmistökantoaallot eivät yhdistä, kuten IGBT: ssä, joka sisältää MOSFET-kenttätehotransistorin, joka määrittää avautumisnopeuden, mutta johon kantaan ei pääse suoraan, ja prosessia on mahdotonta nopeuttaa ulkoisilla piireillä.Seurauksena on, että IGBT: n dynaamiset ominaisuudet ovat rajoitetut, ja suurin toimintataajuus on rajoitettu.

Nostamalla staattisia häviöitä lisäämällä siirtokerrointa ja vähentämällä kyllästymisjännitettä, lisäämme sitten häviöitä vaihtamisen aikana. Tästä syystä IGBT-laitteiden valmistajat ilmoittavat laitteidensa ohjeissa optimaalisen taajuuden ja suurimman kytkentänopeuden.

MOSFET-ohjelmalla on haittapuoli. Sen sisäiselle diodille on ominaista äärellinen käänteinen palautumisaika, joka tavalla tai toisella ylittää sisäisten rinnakkaisten IGBT-diodien palautumisajan. Seurauksena on, että meillä on kytkentähäviöt ja MOSFET-virran ylikuormitukset puolisiltapiireissä.

Nyt suoraan haihtuneesta lämmöstä. Puolijohde-IGBT-rakenteen pinta-ala on suurempi kuin MOSFET-yksikön, joten IGBT: n haihtunut teho on suurempi, mutta siirtymälämpötila nousee intensiivisemmin näppäimen käytön aikana, joten on tärkeää valita säteilijä avaimeen oikein laskemalla lämpövirta oikein, ottaen huomioon kaikkien rajojen lämpövastus. kokoonpano.

MOSFET-laitteilla on myös suurempia lämpöhäviöitä suurella teholla, ylittäen paljon IGBT-suljinhäviöt. Kapasiteettien ollessa yli 300–500 W ja taajuuksilla 20–30 kHz, IGBT-transistorit ovat etusijalla.

Yleensä jokaiselle tehtävälle he valitsevat oman tyyppisen avaimen, ja tästä näkökulmasta on tiettyjä tyypillisiä näkymiä. MOSFET-laitteet soveltuvat käytettäväksi yli 20 kHz: n taajuuksilla, joiden syöttöjännite on enintään 300 V - latureita, kytkentävirtalähteet, pienitehoiset invertterit jne. - suurin osa niistä kootaan tänään MOSFETiin.

IGBT: t toimivat hyvin jopa 20 kHz: n taajuuksilla, joiden syöttöjännitteet ovat vähintään 1000 volttia - taajuusmuuttajat, UPS: t jne. - nämä ovat IGBT-transistorien teholaitteiden matalataajuisia segmenttejä.

Välikapeissa - 300 - 1000 volttia, taajuuksilla noin 10 kHz - sopivan tekniikan puolijohdekytkin valitaan puhtaasti erikseen, punnitsemalla edut ja haitat, mukaan lukien hinta, mitat, tehokkuus ja muut tekijät.

Samaan aikaan on mahdotonta sanoa yksiselitteisesti, että yhdessä tyypillisessä tilanteessa IGBT on sopiva ja toisessa - vain MOSFET. Kunkin tietyn laitteen kehitystä on lähestyttävä kokonaisvaltaisesti. Laitteen tehon, toimintatavan, arvioidun lämpötilan, hyväksyttävien mittojen, ohjauspiirin ominaisuuksien perusteella jne.

Ja mikä tärkeintä - kun olet valinnut vaaditun tyyppiset avaimet, kehittäjälle on tärkeää määritellä niiden parametrit tarkasti, koska teknisissä asiakirjoissa (lomakkeessa) kaikki eivät missään nimessä vastaa täysin tarkalleen todellisuutta. Mitä tarkemmin parametrit tunnetaan, sitä tehokkaampi ja luotettavampi tuote osoittautuu riippumatta siitä, onko se IGBT vai MOSFET.

Katso myös:Bipolaariset ja kenttävaikutteiset transistorit - mikä ero on