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
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
