Napájajte tranzistory MOSFET a IGBT, rozdiely a vlastnosti ich aplikácie

Technológie v oblasti výkonovej elektroniky sa neustále zdokonaľujú: relé sa stanú v pevnom stave, bipolárne tranzistory a tyristory sa stále viac a viac nahrádzajú tranzistormi s efektom v teréne, vyvíjajú sa a používajú sa nové materiály v kondenzátoroch atď. - všade je zreteľne viditeľný aktívny technologický vývoj, ktorý sa nezastaví na jeden rok. Aký je dôvod tohto?

Je to zrejme spôsobené skutočnosťou, že v určitom okamihu výrobcovia nie sú schopní uspokojiť požiadavky spotrebiteľov na schopnosti a kvalitu výkonového elektronického zariadenia: relé iskrí a horí kontakty, bipolárne tranzistory vyžadujú príliš veľa energie na ovládanie, energetické jednotky sú neprijateľne veľa priestoru atď. Výrobcovia medzi sebou súťažia - kto bude prvý, kto ponúkne najlepšiu alternatívu ...?

Preto sa objavili poľné tranzistory MOSFET, vďaka ktorým bolo možné regulovať tok nosičov náboja nie zmenou základného prúdu, ako v bipolárni predkoviaa vlastne pomocou elektrického poľa uzávierky - jednoducho pripojením napätia na uzáver.

Výsledkom bolo, že na začiatku 2000-tych rokov bol podiel výkonových zariadení na MOSFETe a IGBT asi 30%, zatiaľ čo bipolárne tranzistory v výkonovej elektronike zostali nižšie ako 20%. Za posledných 15 rokov sa dosiahol ešte výraznejší prielom a klasické bipolárne tranzistory takmer úplne ustúpili MOSFET a IGBT v segmente polovodičových spínačov s riadeným výkonom.

Napríklad navrhovanie vysokofrekvenčný menič výkonu, vývojár si už vyberá medzi MOSFET a IGBT - ktoré sú riadené napätím privádzaným na bránu, a nie prúdom, ako sú bipolárne tranzistory, a riadiace obvody sú v dôsledku toho jednoduchšie. Pozrime sa však na vlastnosti týchto tranzistorov riadených hradlovým napätím.

MOSFET alebo IGBT

V IGBT (IGBT bipolárny tranzistor s izolovanou hradlou) v otvorenom stave prevádzkový prúd prechádza cez spoj p-n av MOSFET - kanál odtokového zdroja, ktorý má odporový charakter. V tomto prípade sú možnosti rozptylu energie pre tieto zariadenia rôzne, straty sú rôzne: pre poľné zariadenie MOSFET bude rozptyl energie úmerný druhej mocnine prúdu cez kanál a odporu kanála, zatiaľ čo pre IGBT bude rozptyl energie úmerný saturačnému napätiu kolektor-emitor a prúdu cez kanál. v prvom stupni.

Ak potrebujeme znížiť kľúčové straty, budeme musieť zvoliť MOSFET s nižším odporom kanála, ale nezabudnite, že so zvyšujúcou sa teplotou polovodičov sa tento odpor zvýši a tepelné straty sa budú stále zvyšovať. Ale pri IGBT, so zvyšujúcou sa teplotou, sa nasýtovacie napätie prechodu pn naopak naopak znižuje, čo znamená, že sa znižujú tepelné straty.

Ale nie všetko je také základné, ako by sa mohlo zdať na pohľad osoby neskúsenej v oblasti výkonovej elektroniky. Mechanizmy na určovanie strát pri IGBT a MOSFET sa zásadne líšia.

Ako viete, v tranzistore MOSFET spôsobuje odpor kanála vo vodivom stave určité straty energie, ktoré sú podľa štatistík takmer štyrikrát vyššie ako energia spotrebovaná na riadenie brány.

Pri IGBT je situácia presne opačná: straty pri prechode sú menšie, ale náklady na správu energie sú vyššie. Hovoríme o frekvenciách rádovo 60 kHz a čím vyššia je frekvencia, tým väčšia je strata ovládania uzávierky, najmä pokiaľ ide o IGBT.

Ide o to, že v MOSFET-u sa menšinové nosiče nekombinujú, ako je to v prípade IGBT, ktorý obsahuje tranzistor MOSFET-field-tranzistor, ktorý určuje rýchlosť otvárania, ale kde báza nie je priamo prístupná a proces nie je možné zrýchliť pomocou externých obvodov.V dôsledku toho sú dynamické vlastnosti IGBT obmedzené a maximálna prevádzková frekvencia je obmedzená.

Zvýšením koeficientu prenosu a znížením saturačného napätia povedzme, že znížime statické straty, ale potom zvyšujeme straty počas prepínania. Z tohto dôvodu výrobcovia IGBT v dokumentácii uvádzajú pre svoje zariadenia optimálnu frekvenciu a maximálnu rýchlosť prepínania.

MOSFET má nevýhodu. Jeho vnútorná dióda sa vyznačuje konečnou reverznou dobou zotavenia, ktorá tak či onak prekračuje čas zotavenia charakteristický pre interné antiparalelné IGBT diódy. Výsledkom je strata pri prepínaní a súčasné preťaženie MOSFETu v polovičných mostných obvodoch.

Teraz priamo o rozptýlenom teple. Plocha polovodičovej štruktúry IGBT je väčšia ako oblasť MOSFETu, preto je rozptýlený výkon IGBT väčší, avšak pri prevádzke kľúča sa intenzívnejšia teplota prechodu zvyšuje, preto je dôležité správne zvoliť radiátor ku kľúču, správne vypočítať tepelný tok, pričom sa berie do úvahy tepelný odpor všetkých hraníc. zostava.

MOSFET majú tiež vyššie tepelné straty pri vysokom výkone, čo ďaleko presahuje stratu uzávierky IGBT. Pri kapacitách nad 300 - 500 W a pri frekvenciách v rozsahu 20 - 30 kHz prevládajú tranzistory IGBT.

Všeobecne platí, že pre každú úlohu si vyberú svoj vlastný typ kľúča a existujú určité typické pohľady na tento aspekt. MOSFETy sú vhodné pre prevádzku pri frekvenciách nad 20 kHz s napájacím napätím do 300 V - nabíjačky, spínacie zdroje, kompaktné meniče s nízkym príkonom atď. - veľká väčšina z nich sa dnes montuje na stránkach MOSFET.

IGBT fungujú dobre pri frekvenciách do 20 kHz s napájacím napätím 1 000 V alebo viac - frekvenčné meniče, UPS atď. - jedná sa o nízkofrekvenčný segment energetického zariadenia pre tranzistory IGBT.

V strednom výklenku - od 300 do 1 000 voltov, pri frekvenciách rádovo 10 kHz - sa výber polovodičového prepínača vhodnej technológie vykonáva výlučne individuálne, pričom sa zvažujú klady a zápory vrátane ceny, rozmerov, účinnosti a ďalších faktorov.

Medzitým nie je možné jednoznačne povedať, že v jednej typickej situácii je vhodný IGBT a na druhej strane iba MOSFET. Je potrebné komplexne pristupovať k vývoju každého konkrétneho zariadenia. Na základe výkonu zariadenia, jeho spôsobu činnosti, odhadovaného tepelného režimu, prijateľných rozmerov, vlastností riadiaceho obvodu atď.

A čo je najdôležitejšie - po výbere kľúčov požadovaného typu je pre vývojára dôležité, aby presne určil svoje parametre, pretože v technickej dokumentácii (v údajovom liste) nie je všetko vždy úplne pravdivé. Čím presnejšie sú parametre známe, tým efektívnejšie a spoľahlivejšie sa produkt ukáže, bez ohľadu na to, či ide o IGBT alebo MOSFET.

Pozri tiež:Tranzistory s bipolárnym a poľným efektom - aký je rozdiel