Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

MOSFET vs IGBT - czym się różnią?

ghost666 27 Jun 2019 12:22 6306 5
  • Jeśli chodzi o przetwornice impulsowe, oba rodzaje tematycznych tranzystorów mają swoje wady i zalety. Ale który jest najlepszy do danej aplikacji? W poniższym artykule nie odpowiemy bezpośrednio na to pytanie, jednakże porównamy tranzystory MOSFET z modułami IGBT, aby wskazać, na jakim polu poszczególne elementy są lepsze.

    Zasadniczo, przyjęło się, że w systemach z niskim napięciem, niskim prądem, ale z dużą częstotliwością przełączania, preferuje się stosowanie tranzystorów polowych (MOSFET), a w systemach z wysokimi napięciami, wysokim prądem, ale z niską częstotliwością pracy klucza, lepiej sprawdzają się tranzystory IGBT. Ale czy taka ogólna klasyfikacja jest dostateczna? Każdy ma swoje dodatkowe preferencje w tym zakresie, ale prawda jest taka, że nie ma ogólnego, sztywnego standardu, który pozwala ocenić parametry danego elementu pod kątem stosowania go w przetwornicach impulsowych. Wszystko zależy od konkretnej aplikacji i szerokiego zakresu czynników, takich jak częstotliwość przełączania, rozmiar układu, docelowy koszt itp. Zatem, zamiast próbować zdecydować, który element jest lepszy, trzeba dokładnie przyjrzeć się różnicom pomiędzy tymi elementami.

    MOSFET w skrócie

    MOSFET to w pełni kontrolowany przełącznik z trzema terminalami (bramka, dren i źródło). Sygnał bramki (sterowania) przykłada się między bramką a źródłem, a pinami przełączającymi są dren i źródło. Sama bramka jest wykonana z metalu i oddzielona od źródła za pomocą tlenku metalu jako dielektryka. Pozwala to na mniejsze zużycie energii i sprawia, że tranzystor ten jest doskonałym wyborem do stosowania jako przełącznik elektroniczny lub wzmacniacz w układzie ze wspólnym źródłem.

    Aby funkcjonować poprawnie, MOSFETy muszą utrzymywać dodatni współczynnik temperaturowy. Oznacza to, że prawdopodobieństwo "ucieczki termicznej" jest niewielkie. Straty w stanie załączonym są niewielkie, a teoretycznie oporność tranzystora w tym stanie nie jest niczym ograniczona i może być bliska zeru. Ponadto, ponieważ tranzystory MOSFET mogą działać z wysokimi częstotliwościami, mogą pracować w aplikacji z szybkim przełączaniem z niewielkimi stratami przy przełączaniu.

    Tranzystory MOSFET mocy

    Istnieje wiele różnych typów tranzystorów MOSFET, ale najbardziej porównywalnymi z IGBT są MOSFETy mocy. Są one specjalnie zaprojektowane do pracy ze znacznymi poziomami mocy. Używane są one tylko w stanach „on” lub „off”, co spowodowało, że są one najczęściej używanym kluczem dla systemów niskiego napięcia. W porównaniu do IGBT, MOSFETy mocy mają zalety - wyższa prędkość komutacji i większa wydajność podczas pracy przy niskich napięciach. Co więcej, układ taki może wytrzymać wysokie napięcie blokujące i utrzymać wysoki prąd. Dzieje się tak, ponieważ większość struktur MOSFET mocy jest pionowa (nie planarna). Jego napięcie znamionowe jest bezpośrednią funkcją domieszkowania i grubości warstwy epitaksjalnej z domieszką typu N, a jego prąd jest związany z szerokością kanału (im szerszy kanał, tym wyższy prąd). Ze względu na swoją sprawność, tranzystory MOSFET mocy są stosowane w zasilaczach, przetwornicach prądu stałego (DC/DC) i sterownikach silników niskiego napięcia.

    IGBT w skrócie

    Moduł IGBT jest również w pełni kontrolowanym przełącznikiem z trzema terminalami (bramka, kolektor i emiter). Jego sygnał sterujący przykłada się między bramką a emiterem, a obciążenie pomiędzy odpływem i emiterem.

    IGBT łączy w sobie prostą charakterystykę sterowania bramką, jakie znajduje się w tranzystorze MOSFET z wysokoprądowym charakterem tranzystora bipolarnego z niskim napięciem nasycenia. Realizuje się to za pomocą izolowanego tranzystora polowego dla wejścia sterującego i bipolarnego tranzystora mocy jako klucza wysokoprądowego.

    Moduł IGBT jest specjalnie zaprojektowany do szybkiego włączania i wyłączania. W rzeczywistości częstotliwość powtarzania impulsów dochodzi do zakresu ultradźwiękowego. Ta wyjątkowa zdolność sprawia, że ​​tranzystory IGBT są często używane we wzmacniaczach klasy D do syntezy złożonych przebiegów z modulacją szerokości impulsu i filtrów dolnoprzepustowych. Są one również wykorzystywane do generowania dużych impulsów mocy w obszarach, takich jak fizyka cząstek i plazmy, a także odgrywają istotną rolę w nowoczesnych urządzeniach, takich jak samochody elektryczne, pociągi, lodówki o zmiennej prędkości, klimatyzatory i inne.

    Porównanie elementów



    Struktury obu tranzystorów są bardzo do siebie podobne. Jeśli chodzi o przepływ prądu elektronowego, ważną różnicą jest dodanie warstwy substratu typu P, pod warstwą substratu typu N w strukturze modułu IGBT. W tej dodatkowej warstwie dziury są wstrzykiwanej do wysoce rezystywnej warstwy typu N, tworząc nadmiar nośników. Ten wzrost przewodności w warstwie N pomaga zmniejszyć całkowite napięcie w stanie załączenia w module IGBT. Niestety, blokuje to również przepływ prądu w odwrotnym kierunku. Dlatego też do układu dodawana jest specjalna dioda, która zostaje umieszczona równolegle z IGBT, aby przewodzić prąd w przeciwnym kierunku.

    Brak transportu nośników mniejszościowych umożliwia MOSFETowi przełączanie się przy wyższych częstotliwościach. Istnieją jednak dwa ograniczenia: czas przejścia elektronów w obszarze dryfu oraz czas wymagany do naładowania/rozładowania bramki wejściowej i pojemności Millera. Miko tego, tranzystory te na ogół uzyskują wyższą częstotliwość kluczowania niż moduły IGBT.

    Moc przełączania

    Zmniejszenie napięcia w stanie włączenia może powodować wolniejszą przełączanie przy wyłączaniu tranzystora IGBT . Powodem jest to, że podczas gdy przepływ elektronów może być nagle zatrzymany po prostu przez zmniejszenie napięcia bramki-emiter poniżej napięcia progowego bramki (jak w przypadku MOSFET), to wciąż pozostaje kwestia dziur, które pozostały w obszarach dryfu (nie ma połączenia elektrycznego, które pozwalałoby je usunąć). Jedynym sposobem na ich usunięcie jest przemiatanie, które zależne jest od napięcia w urządzeniu i wewnętrznej rekombinacji. W rezultacie urządzenie charakteryzuje się powolnym działaniem przy wyłączeniu, aż do zakończenia rekombinacji nośników. To zawsze była duża wada tranzystorów IGBT.

    Postępy

    Wiele z wymienionych powyżej faktów dotyczy historycznych podstaw obu urządzeń. Postępy i przełomy technologiczne w zakresie opracowywania nowych urządzeń, a także wykorzystanie nowych materiałów, takich jak np. węglik krzemu (SiC) doprowadziły do ​​znacznej poprawy wydajności tych systemów przez lata dla obu rodzajów urządzeń.

    MOSFET:

    * Wysoka częstotliwość przełączania
    * Lepsze parametry dynamiczne i niższy pobór mocy drivera
    * Niższa pojemność sprzężenia bramka-dren
    * Niższa impedancja termiczna, co przekłada się na lepsze rozpraszanie mocy
    * Krótsze czasy narastania i opadania, co przekłada się na możliwość pracy z wyższą częstotliwością przełączania

    IGBT:

    * Coraz lepsze technologii produkcji, co przekłada się na redukcję kosztów
    * Lepsza wytrzymałość na przeciążenia
    * Lepsza możliwość zrównoleglania układów
    * Szybsze i "gładsze" załączanie i wyłączanie się
    * Niższe straty w stanie załączonym i podczas przełączania
    * Niższa pojemność wejściowa

    Podsumowanie

    Tranzystory MOSFET i moduły IGBT szybko zastępują większość starszych urządzeń półprzewodnikowych i mechanicznych, wykorzystywanych do kontroli przepływu prądu. Jest to ruch, który nie wygląda na mający ulec spowolnieniu, zwłaszcza w związku z rozwojem jakości materiałów i wykorzystanie nowych materiałów. Urządzenia zasilające wykorzystujące SiC pokazują zalety, takie jak mniejsze straty, mniejszy rozmiar i wyższa sprawność. Innowacje takie jak ta będą nadal przesuwać granice stosowania tranzystorów MOSFET i IGBT do zastosowań przy wyższym napięciu i wyższych mocach. Tylko dokładna analiza danej aplikacji pozwala na wybór odpowiedniego elementu do danego zastosowania.

    Źródło: https://www.electronicproducts.com/Analog_Mixed_Signal_ICs/Discrete_Power_Transistors/MOSFET_vs_IGBT.aspx

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11090 posts with rating 9405, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • #2
    Jacekser
    Level 22  
    ghost666 wrote:
    W tej dodatkowej warstwie otwory są wstrzykiwanej do wysoce rezystywnej warstwy typu N, tworząc nadmiar nośników.
    -czy chodzi o dziury?
  • #3
    ghost666
    Translator, editor
    Jacekser wrote:
    ghost666 wrote:
    W tej dodatkowej warstwie otwory są wstrzykiwanej do wysoce rezystywnej warstwy typu N, tworząc nadmiar nośników.
    -czy chodzi o dziury?


    Tak. Dokładnie.
  • #4
    tomek970
    Level 8  
    Jaka spawarka jest lepsza: na tranzystorach Mosfet czy IGBT. Wiem że spawarki na IGBT mają wyższą sprawność, lepszy cykl pracy, są lżejsze, pobierają mniej prądu, są tańsze i mają stabilniejszy i mocniejszy łuk niż te na Mosfetach. A czy spawarki na Mosfetach mają jakieś przewagi nad IGBT ? Na których tranzystorach powinny być bardziej trwałe - oczywiście jeżeli obydwie są podobnej klasy (przykładowo Dedra Desi201 200A na mosfetach dostępna jeszcze kilka lat temu i Dedra 199bt 180A na IGBT lub Sherman MMA 200 190A na Mosfecie i Sherman Speedy MMA 200A IGBT?
  • #6
    ak44
    Level 27  
    tomek970 wrote:
    Jaka spawarka jest lepsza: na tranzystorach Mosfet czy IGBT. Wiem że spawarki na IGBT mają wyższą sprawność, lepszy cykl pracy, są lżejsze, pobierają mniej prądu, są tańsze i mają stabilniejszy i mocniejszy łuk niż te na Mosfetach. A czy spawarki na Mosfetach mają jakieś przewagi nad IGBT ? Na których tranzystorach powinny być bardziej trwałe - oczywiście jeżeli obydwie są podobnej klasy (przykładowo Dedra Desi201 200A na mosfetach dostępna jeszcze kilka lat temu i Dedra 199bt 180A na IGBT lub Sherman MMA 200 190A na Mosfecie i Sherman Speedy MMA 200A IGBT?


    Jestem spawaczem amatorem. Spawałem spawarkami z tranzystorami bipolarnymi, Mosfet i IGBT.

    Różnic nie zauważyłem jeżeli chodzi o technologię, są różnice jeżeli chodzi o klasę (amatorska, półprofesjonalna itd.)

    Podejrzewam, że stosowanie IGBT jest tańsze i dlatego spawarki z IGBT mogą być lepiej wyposażone niż Mosfet w podobnej cenie.