IGBT vs MOSFET: koks skirtumas ir kurį turėtumėte pasirinkti?

Izoliuotų vartų bipolinis tranzistorius (IGBT) ir MOSFET yra įtampos valdomi įrenginiai, skirti perjungimo programoms. Tačiau jie labai skiriasi vidine struktūra, veikimo elgsena, nuostolių charakteristikomis, perjungimo greičiu ir idealia naudojimo aplinka. Šiame straipsnyje bus aptarti pagrindiniai IGBT ir MOSFET skirtumai, įskaitant jų struktūrą, veikimo principą, elektrines savybes ir kt.

IGBT vs MOSFET: apžvalga

Izoliuoti vartų bipoliniai tranzistoriai (IGBT) ir galios MOSFET yra du pagrindiniai puslaidininkinių jungiklių tipai, naudojami galios elektronikoje. Abu įrenginiai yra valdomi įtampos ir plačiai naudojami keitikliuose, variklių pavarose, keitikliuose ir maitinimo šaltiniuose. Tačiau jie yra optimizuoti skirtingoms eksploatavimo sąlygoms.

MOSFET paprastai teikiama pirmenybė žemos ir vidutinės įtampos ir aukšto dažnio programose, nes jie persijungia labai greitai ir turi mažą vartų pavaros galios poreikį. Kita vertus, IGBT sujungia MOS vartų valdymą su bipolinėmis laidumo charakteristikomis, todėl tinka aukštos įtampos ir didelės srovės sistemoms.

IGBT vs MOSFET: vidinė struktūra

Kaip parodyta paveikslėlyje, galios MOSFET turi vertikalią sluoksniuotą struktūrą, kurios viršuje yra vartai (G), viršutiniame paviršiuje - šaltinis (S), o apačioje - kanalizacija (D). Po vartais yra plonas oksido sluoksnis, kuris elektriškai izoliuoja jį nuo puslaidininkio. Viršutinėje srityje yra n+ šaltinio difuzijos p tipo kūno srityje, o apatinę dalį sudaro stora n− dreifo sritis ir n+ substratas, sujungtas su kanalizacija. Įjungus vartų įtampą, p kūno srityje susidaro inversijos kanalas, leidžiantis srovei tekėti vertikaliai iš šaltinio ir nutekėti per n dreifo sritį. Kadangi dalyvauja tik daugumos nešėjai (elektronai N kanalo įrenginyje), MOSFET persijungia labai greitai ir nekaupia reikšmingo krūvio savo struktūroje.

Priešingai, IGBT struktūra paveikslėlyje yra panaši viršuje, su vartais (G) ir emiteriu (E), išdėstytais virš n+ regionų p-bazėje. Tačiau žemiau n− dreifo srities apačioje pridedamas papildomas p+ kolektoriaus sluoksnis, sudarantis kolektoriaus (C) gnybtą. Šis papildomas p+ sluoksnis sukuria bipolinį laidumo kelią, kai prietaisas įsijungia. Eksploatacijos metu iš p+ kolektoriaus į n− dreifo sritį įpurškiamos skylės, todėl atsiranda laidumo moduliacija. Tai sumažina būsenos įtampos kritimą esant aukštai įtampai ir didelei srovei. Tačiau, kadangi mažumos nešėjai laikomi dreifo regione, IGBT išsijungia lėčiau, palyginti su MOSFET. Paveikslėlyje aiškiai pabrėžiamas šis esminis struktūrinis skirtumas: MOSFET baigiasi n+ drenažo sluoksniu, o IGBT turi papildomą p+ kolektoriaus sluoksnį, kuris užtikrina bipolinį elgesį.

IGBT vs MOSFET: veikimo principas

MOSFET veikia įjungdamas įtampą į vartų gnybtą, sukurdamas elektrinį lauką, kuris sudaro laidų kanalą tarp kanalizacijos ir šaltinio. Suformavus kanalą, srovė teka proporcingai vartų įtampai virš slenksčio. Pašalinus vartų įtampą, kanalas išnyksta, o laidumas greitai sustoja.

IGBT taip pat naudoja įtampos valdomus vartus, kad suformuotų kanalą, tačiau prasidėjus laidumui, mažumos nešėjai įpurškiami į dreifo sritį. Ši laidumo moduliacija žymiai sumažina įtampos kritimą esant didelei srovei. Tačiau išjungus šie saugomi nešikliai turi rekombinuotis, o tai lemia lėtesnį perjungimą, palyginti su MOSFET.

IGBT vs MOSFET: elektros specifikacijos

MOSFETAI

Paprastai galima įsigyti nuo žemos įtampos (20 V–250 V) iki maždaug 900 V, su labai maža varža (RDS (įjungta)) esant žemesnei įtampai. Jų dabartinės galimybės labai skiriasi priklausomai nuo pakuotės ir aušinimo.

IGBT

Paprastai skirtas aukštesnei įtampai, pvz., 600 V, 1200 V, 1700 V ir daugiau. Vietoj RDS(on) jiems būdinga kolektoriaus-emiterio prisotinimo įtampa (VCE(sat)). IGBT geriau tinka valdyti didelę srovę esant aukštai įtampai, ypač pramonėje ir tinklo lygiu.

IGBT vs MOSFET: perjungimo našumas

MOSFET keičiasi labai greitai, nes jie veikia tik naudojant daugumos vežėjus. Kaip parodyta bangos formoje, srovė staigiai kyla ir krenta, atidžiai sekdama įtampos perėjimą. Išjungimo metu srovė beveik iš karto sumažėja, kai įtampa kyla, todėl įtampa ir srovė sutampa minimaliai. Šis staigus perėjimas lemia mažus perjungimo energijos nuostolius, todėl MOSFET puikiai tinka aukšto dažnio darbui.

Priešingai, IGBT bangos forma rodo aiškią išjungimo uodegą. Nors išjungimo metu įtampa greitai pakyla, srovė iškart nesumažėja. Vietoj to, jis palaipsniui nyksta dėl saugomų mažumos nešėjų dreifo regione. Tai sukuria persidengimo sritį, kurioje vienu metu egzistuoja ir aukšta įtampa, ir srovė, todėl padidėja perjungimo nuostoliai. Dėl šio uodegos srovės efekto IGBT paprastai geriau tinka žemesniems perjungimo dažniams, palyginti su MOSFET.

IGBT vs MOSFET: laidumo praradimas

MOSFET laidumo praradimas seka kvadratinį ryšį su srove. Kreivė staigiai kyla, nes MOSFET nuostoliai yra proporcingi I² × RDS(on). Tai reiškia, kad didėjant srovei, galios nuostoliai sparčiai didėja. Esant žemam srovės lygiui, nuostoliai išlieka nedideli dėl mažo pasipriešinimo. Tačiau esant didesnėms srovėms, kvadratinis srovės terminas smarkiai išauga nuostoliai, todėl mėlyna kreivė lenkiasi aukštyn.

Priešingai, IGBT laidumo nuostoliai didėja beveik tiesiškai su srove, kaip rodo raudona tiesinė kreivė. Taip yra todėl, kad IGBT nuostoliai yra maždaug proporcingi VCE(sat) × I. Kadangi VCE(sat) laidumo metu elgiasi kaip beveik pastovus įtampos kritimas, bendras nuostolis didėja proporcingai srovei, o ne eksponentiškai.

Paveikslėlis aiškiai parodo, kad esant žemesniam srovės lygiui, MOSFET nuostoliai gali būti mažesni. Tačiau didėjant srovei, MOSFET kreivė kyla greičiau ir gali viršyti IGBT nuostolius. Tai paaiškina, kodėl IGBT dažnai teikiama pirmenybė didelės srovės ir didelės galios programose, o MOSFET yra efektyvesni esant mažesniam srovės lygiui.

IGBT vs MOSFET: šiluminės charakteristikos

MOSFET šiluminės savybės labai priklauso nuo įjungimo varžos ir perjungimo nuostolių. Kylant temperatūrai, RDS(on) didėja, todėl padidėja laidumo nuostoliai. Tačiau MOSFET paprastai turi teigiamą temperatūros koeficientą, kuris padeda dalytis srove lygiagrečiose konfigūracijose.

IGBT taip pat patiria padidėjusį VCE (sat) su temperatūra. Kadangi jie dažnai naudojami didelės galios moduliuose, tinkamas radiatoriaus ir šiluminės sąsajos dizainas yra labai svarbūs. IGBT galios moduliuose paprastai apima integruotas šilumos valdymo struktūras, skirtas pagerinti šilumos išsklaidymą pramoninėse sistemose.

IGBT vs MOSFET: vartų pavaros reikalavimai

Abu įrenginiai yra valdomi įtampa, tačiau jų vartų pavaros reikalavimai skiriasi įtampos lygiu ir apsaugos sudėtingumu. Kaip parodyta paveikslėlyje, MOSFET paprastai reikia apie 10–12 V prie vartų, kad būtų galima visiškai patobulinti. Jų įvestis elgiasi kaip talpinė apkrova, todėl vairuotojui daugiausia reikia tiekti pakankamai srovės, kad greitai įkrautų ir iškrautų vartus. Daugelyje programų MOSFET vartų pavaros grandinės išlieka gana paprastos.

Priešingai, IGBT paprastai reikia apie +15 V, kad jie būtų visiškai įjungti. Paveikslėlyje taip pat parodytas apsaugos nuo desaturacijos (Desat) blokas, kuris dažnai naudojamas IGBT tvarkyklės grandinėse trumpojo jungimo ar viršsrovės sąlygoms aptikti. Kadangi IGBT apima sukauptą įkrovą ir išjungimo metu demonstruoja uodeginę srovę, jų tvarkyklės dažnai turi papildomų apsaugos ir valdymo funkcijų. Didelės galios sistemose taip pat gali būti naudojamas neigiamas vartų poslinkis, kad būtų užtikrintas patikimas išjungimas.

IGBT vs MOSFET: programos

IGBT vs MOSFET: privalumai ir trūkumai

MOSFET privalumai

• Labai greitas perjungimo greitis

• Maži perjungimo nuostoliai esant aukštam dažniui

• Paprasti ir mažos galios vartų pavaros reikalavimai

• Maži laidumo nuostoliai esant žemai ir vidutinei įtampai

• Puikus aukšto dažnio keitiklių veikimas

• Lengvas lygiagretumas dėl teigiamo temperatūros koeficiento

MOSFET trūkumai

• Įjungimo varža (RDS (įjungta)) žymiai padidėja esant aukštesnei įtampai

• Laidumo praradimas smarkiai padidėja esant didelei srovei (I²R elgesys)

• Mažiau tinka labai aukštos įtampos pramoninėms sistemoms

• Gali būti jautrus įtampos šuoliams ir lavinų stresui

IGBT privalumai

• Stipri aukštos įtampos galimybė (600 V ir daugiau)

• Mažesni laidumo nuostoliai esant dideliam srovės lygiui

• Tinka didelės galios ir pramoninėms reikmėms

• Galimi tvirti maitinimo modulių paketai

• Didesnis efektyvumas vidutinio dažnio, didelės galios sistemose

IGBT trūkumai

• Lėtesnis perjungimo greitis, palyginti su MOSFET

• Didesni perjungimo nuostoliai esant aukštam dažniui

• Išjungta galinė srovė padidina perjungimo energijos nuostolius

• Sudėtingesni vartų pavaros ir apsaugos reikalavimai

• Neidealiai tinka labai aukšto dažnio programoms

IGBT vs MOSFET: patikimumas ir nesėkmės elgesys

IGBT vs MOSFET: efektyvumas pagal dažnių diapazoną

IGBT ir MOSFET efektyvumas labai priklauso nuo perjungimo dažnio, nes bendri nuostoliai apima ir laidumo, ir perjungimo nuostolius. Didėjant dažniui, perjungimo nuostoliai tampa reikšmingesni, o tai keičia, kuris įrenginys veikia geriau.

• Žemi dažniai (žemiau 20 kHz) – IGBT dažnai yra efektyvesni aukštos įtampos, didelės srovės sistemose. Perjungimo nuostoliai šiame diapazone yra palyginti nedideli, o IGBT naudojasi mažesniais laidumo nuostoliais dėl stabilios prisotinimo įtampos. Dėl to jie tinka variklių pavaroms, pramoniniams keitikliams ir kitoms didelės galios reikmėms.

• Vidutinis dažnių diapazonas (20–50 kHz) – svarbūs ir laidumo, ir perjungimo nuostoliai. IGBT pradeda rodyti didesnius perjungimo nuostolius dėl uodegos srovės, o MOSFET persijungia greičiau ir efektyviau apdoroja aukštesnius dažnius. Geriausias pasirinkimas priklauso nuo įtampos lygio, srovės poreikio ir šiluminės konstrukcijos.

• Aukšti dažniai (virš 100 kHz) – MOSFET aiškiai lenkia IGBT. Esant tokiam greičiui, dominuoja perjungimo nuostoliai, o MOSFET perjungimo energija yra daug mažesnė ir nėra uodegos srovės. Aukšto dažnio keitikliams ir maitinimo šaltiniams MOSFET paprastai yra geresnis pasirinkimas.

Ar IGBT gali pakeisti maitinimo MOSFET?

IGBT ne visada gali tiesiogiai pakeisti MOSFET. Nors abu yra įtampos valdomi jungikliai, skiriasi jų perjungimo greitis, laidumo elgesys ir vartų pavaros reikalavimai. Aukšto dažnio grandinėse MOSFET pakeitimas IGBT gali sukelti per didelius perjungimo nuostolius ir šilumines problemas.

Tačiau aukštos įtampos, žemesnio dažnio programose, tokiose kaip variklių pavaros, IGBT kartais gali pakeisti MOSFET, jei konstrukcija yra optimizuota dažnio ir šiluminių savybių perjungimui. Prieš keičiant reikia atidžiai įvertinti įtampą, perjungimo greitį ir galios nuostolius.

IGBT ir MOSFET ateitis

IGBT ir MOSFET technologijų ateitį formuos efektyvumo reikalavimai ir didelės galios programos. IGBT ir toliau dominuos aukštos įtampos ir sunkiosios pramonės sistemose, tokiose kaip variklių pavaros ir dideli atsinaujinančios energijos keitikliai, dėl savo tvirtumo ir ekonominio pranašumo. Tuo tarpu MOSFET, ypač plačios juostos tarpo tipai, tokie kaip SiC ir GaN, sparčiai auga elektromobiliuose, greituosiuose įkrovikliuose ir kompaktiškuose maitinimo šaltiniuose dėl didesnio perjungimo greičio ir didesnio efektyvumo.

Išvada

Pasirinkimas tarp IGBT ir MOSFET daugiausia priklauso nuo įtampos lygio, srovės poreikio ir perjungimo dažnio. MOSFET geriau tinka aukšto dažnio ir žemos bei vidutinės įtampos programoms, nes jie greičiau persijungia ir turi mažesnius perjungimo nuostolius. Kita vertus, IGBT labiau tinka aukštos įtampos ir didelės srovės pramoninėms reikmėms, tokioms kaip variklių pavaros ir keitikliai, ypač kai veikia vidutiniu arba žemu perjungimo dažniu. Trumpai tariant, pasirinkite MOSFET greičiui ir efektyvumui aukštesniuose dažniuose, o IGBT - didesniam galios ir įtampos lygiui valdyti.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1 klausimas. Koks yra pagrindinis skirtumas tarp IGBT ir MOSFET paprastais žodžiais?

Pagrindinis skirtumas yra tas, kad MOSFET yra greitesni ir geresni aukšto dažnio, žemos ir vidutinės įtampos programoms, o IGBT efektyviau apdoroja aukštesnę įtampą ir srovę, bet persijungia lėčiau.

2 klausimas. Kas geriau variklių pavaroms: IGBT ar MOSFET?

Aukštos įtampos pramoninių variklių pavaroms (400 V+) dažniausiai teikiama pirmenybė IGBT. Žemos įtampos arba didelės spartos variklio valdymui MOSFET dažnai yra efektyvesni dėl greitesnio perjungimo.

3 klausimas. Kodėl IGBT turi išjungimo uodegos srovę?

IGBT laidumo metu saugo mažumos nešėjus. Išjungdami šie nešikliai turi rekombinuotis, sukeldami lėtą srovės skilimą, vadinamą uodegos srove, o tai padidina perjungimo nuostolius.

4 klausimas. Kodėl MOSFET įjungimo varža didėja atsižvelgiant į įtampą?

Aukštesnės įtampos MOSFET reikalinga storesnė dreifo sritis, kad blokuotų įtampą. Tai padidina varžą (RDS (įjungta)), todėl esant aukštai įtampai padidėja laidumo nuostoliai.

5 klausimas. Ar MOSFET gali būti naudojami aukštos įtampos programose, viršijančiose 600 V?

Taip, bet efektyvumas gali sumažėti dėl padidėjusio RDS(on). Labai aukštos įtampos sistemose (800 V–1200 V) IGBT dažnai yra praktiškesni ir ekonomiškesni.

6 klausimas. Ar IGBT vis dar aktualūs atsiradus SiC ir GaN įrenginiams?

Taip. IGBT ir toliau plačiai naudojami sąnaudoms jautriose, didelės galios pramoninėse sistemose. Nors SiC ir GaN pasižymi didesniu efektyvumu, IGBT vis tiek yra ekonomiškesni daugeliui vidutinio dažnio programų.

7 klausimas. Kurį įrenginį lengviau sulyginti: IGBT ar MOSFET?

MOSFET paprastai lengviau sugretinti, nes jie turi teigiamą temperatūros koeficientą, padedantį automatiškai subalansuoti srovę tarp įrenginių.