Các bóng bán dẫn Power MOSFET và IGBT, sự khác biệt và tính năng của ứng dụng của chúng

Các công nghệ trong lĩnh vực điện tử công suất không ngừng được cải tiến: rơle trở thành trạng thái rắn, các bóng bán dẫn lưỡng cực và thyristor đang được thay thế ngày càng nhiều bởi các bóng bán dẫn hiệu ứng trường, các vật liệu mới đang được phát triển và ứng dụng trong các tụ điện, v.v. - sự phát triển công nghệ tích cực có thể thấy rõ ở mọi nơi, không dừng lại trong một năm. Lý do cho điều này là gì?

Điều này rõ ràng là do tại một số điểm, các nhà sản xuất không thể đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng về khả năng và chất lượng của thiết bị điện tử công suất: tia lửa điện và đốt tiếp điểm, bóng bán dẫn lưỡng cực đòi hỏi quá nhiều năng lượng để kiểm soát, các đơn vị năng lượng không thể chấp nhận được rất nhiều không gian, vv Các nhà sản xuất cạnh tranh lẫn nhau - ai sẽ là người đầu tiên đưa ra giải pháp thay thế tốt nhất ...?

Vì vậy, các bóng bán dẫn MOSFE trường đã xuất hiện, nhờ có thể kiểm soát dòng mang điện tích không phải bằng cách thay đổi dòng cơ sở, như trong tổ tiên lưỡng cựcvà, bằng phương tiện điện trường của màn trập, trên thực tế - chỉ đơn giản bằng cách đặt điện áp vào màn trập.

Kết quả là, vào đầu những năm 2000, tỷ lệ thiết bị điện trên MOSFET và IGBT là khoảng 30%, trong khi các bóng bán dẫn lưỡng cực trong điện tử công suất vẫn dưới 20%. Trong 15 năm qua, đã có một bước đột phá quan trọng hơn, và bóng bán dẫn lưỡng cực cổ điển gần như hoàn toàn nhường chỗ cho MOSFET và IGBT trong phân khúc công tắc bán dẫn điện được điều khiển.

Thiết kế, ví dụ, chuyển đổi năng lượng cao tần, nhà phát triển đã chọn giữa MOSFET và IGBT - cả hai đều được điều khiển bởi điện áp đặt vào cổng, chứ không phải bởi dòng điện, như bóng bán dẫn lưỡng cực, và kết quả là các mạch điều khiển đơn giản hơn. Tuy nhiên, chúng ta hãy xem xét các tính năng của các bóng bán dẫn rất được điều khiển bởi điện áp cổng.

MOSFE hoặc IGBT

Trong IGBT (bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT có cổng cách điện) ở trạng thái mở, dòng điện hoạt động đi qua tiếp giáp p-n và trong MOSFET - qua kênh nguồn thoát nước, có đặc tính điện trở. Ở đây, khả năng tiêu tán công suất là khác nhau đối với các thiết bị này, tổn thất là khác nhau: đối với thiết bị trường MOSFET, công suất tiêu tán sẽ tỷ lệ với bình phương của dòng điện qua kênh và điện trở kênh, trong khi đối với IGBT, công suất tiêu tán sẽ tỷ lệ thuận với điện áp bão hòa của bộ thu ở mức độ đầu tiên.

Nếu chúng ta cần giảm tổn thất chính, chúng ta sẽ cần chọn MOSFET có điện trở kênh thấp hơn, nhưng đừng quên rằng với nhiệt độ bán dẫn tăng, điện trở này sẽ tăng và tổn thất nhiệt vẫn tăng. Nhưng với IGBT, với nhiệt độ tăng, điện áp bão hòa của tiếp giáp pn, ngược lại, giảm, điều đó có nghĩa là tổn thất nhiệt giảm.

Nhưng không phải mọi thứ đều sơ đẳng như vẻ ngoài của một người thiếu kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử công suất. Các cơ chế xác định tổn thất trong IGBT và MOSFET về cơ bản là khác nhau.

Như bạn đã hiểu, trong một bóng bán dẫn MOSFET, điện trở kênh ở trạng thái dẫn điện gây ra tổn thất điện năng nhất định trên nó, theo thống kê, cao hơn gần 4 lần so với công suất dành cho điều khiển cổng.

Với IGBT, tình huống hoàn toàn ngược lại: tổn thất khi chuyển đổi ít hơn, nhưng chi phí năng lượng cho quản lý thì lớn hơn. Chúng ta đang nói về tần số của thứ tự 60 kHz, và tần số càng cao thì sự mất kiểm soát cổng càng lớn, đặc biệt là liên quan đến IGBT.

Vấn đề là trong các sóng mang thiểu số MOSFET không kết hợp lại, như trường hợp trong IGBT, bao gồm một bóng bán dẫn hiệu ứng trường MOSFET xác định tốc độ mở, nhưng trong đó cơ sở không thể truy cập trực tiếp và không thể tăng tốc quá trình sử dụng các mạch ngoài.Do đó, các đặc tính động của IGBT bị hạn chế và tần số hoạt động tối đa bị hạn chế.

Bằng cách tăng hệ số truyền và hạ thấp điện áp bão hòa, hãy nói rằng chúng tôi giảm tổn thất tĩnh, nhưng sau đó chúng tôi sẽ tăng tổn thất trong quá trình chuyển đổi. Vì lý do này, các nhà sản xuất IGBT chỉ ra trong tài liệu cho thiết bị của họ tần số tối ưu và tốc độ chuyển đổi tối đa.

Có một nhược điểm với MOSFET. Diode bên trong của nó được đặc trưng bởi thời gian phục hồi ngược hữu hạn, theo cách này hay cách khác vượt quá đặc tính thời gian phục hồi của điốt IGBT chống song song bên trong. Kết quả là, chúng ta có các tổn thất chuyển mạch và quá tải hiện tại của MOSFET trong các mạch nửa cầu.

Bây giờ trực tiếp về nhiệt độ tiêu tan. Diện tích của cấu trúc IGBT bán dẫn lớn hơn so với MOSFET, do đó, công suất tiêu tán của IGBT lớn hơn, tuy nhiên, nhiệt độ chuyển tiếp tăng mạnh hơn trong quá trình hoạt động của khóa, do đó, điều quan trọng là phải chọn chính xác bộ tản nhiệt. lắp ráp.

MOSFE cũng có tổn thất nhiệt cao hơn ở công suất cao, vượt xa tổn thất màn trập IGBT. Với công suất trên 300-500W và ở tần số trong vùng 20-30 kHz, IGBT sẽ chiếm ưu thế.

Nói chung, đối với mỗi nhiệm vụ, họ chọn loại khóa riêng và có một số quan điểm điển hình nhất định về khía cạnh này. MOSFE phù hợp để hoạt động ở tần số trên 20 kHz với điện áp cung cấp lên đến 300 V - bộ sạc, chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng, bộ biến tần nhỏ gọn có công suất thấp, v.v. - phần lớn trong số chúng được lắp ráp ngày nay tại MOSFET.

Các IGBT hoạt động tốt ở tần số lên đến 20 kHz với điện áp cung cấp từ 1000 volt trở lên - bộ biến tần, UPS, v.v. - đây là những phân khúc tần số thấp của thiết bị điện cho bóng bán dẫn IGBT.

Trong hốc trung gian - từ 300 đến 1000 volt, ở tần số 10 kHz - việc lựa chọn công tắc bán dẫn của công nghệ thích hợp được thực hiện hoàn toàn riêng lẻ, cân nhắc ưu và nhược điểm, bao gồm giá cả, kích thước, hiệu quả và các yếu tố khác.

Trong khi đó, không thể nói một cách dứt khoát rằng trong một tình huống điển hình, IGBT là phù hợp, và trong trường hợp khác - chỉ có MOSFET. Cần phải tiếp cận toàn diện sự phát triển của từng thiết bị cụ thể. Dựa trên sức mạnh của thiết bị, chế độ hoạt động của nó, chế độ nhiệt ước tính, kích thước chấp nhận được, các tính năng của mạch điều khiển, v.v.

Và quan trọng nhất - đã chọn các khóa thuộc loại yêu cầu, điều quan trọng là nhà phát triển phải xác định chính xác các tham số của chúng, bởi vì trong tài liệu kỹ thuật (trong biểu dữ liệu), không có nghĩa là mọi thứ luôn khớp chính xác với thực tế. Các thông số càng chính xác được biết đến, sản phẩm sẽ càng hiệu quả và đáng tin cậy, bất kể đó là IGBT hay MOSFET.

Xem thêm:Transitor hiệu ứng lưỡng cực và trường - sự khác biệt là gì