Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

MOSFET vs IGBT - czym się różnią?

ghost666 27 Cze 2019 12:22 2238 2
  • 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

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    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 napisał 9214 postów o ocenie 6760, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    Jacekser
    Poziom 18  
    ghost666 napisał:
    W tej dodatkowej warstwie otwory są wstrzykiwanej do wysoce rezystywnej warstwy typu N, tworząc nadmiar nośników.
    -czy chodzi o dziury?
  • #3
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Jacekser napisał:
    ghost666 napisał:
    W tej dodatkowej warstwie otwory są wstrzykiwanej do wysoce rezystywnej warstwy typu N, tworząc nadmiar nośników.
    -czy chodzi o dziury?


    Tak. Dokładnie.