Силові MOSFET і IGBT транзистори, особливості їх застосування

Технології в області силової електроніки весь час удосконалюються: реле стають твердотільними, біполярні транзистори і тиристори замінюються все ширше на польові транзистори, нові матеріали розробляються і застосовуються в конденсаторах і т. Д. – скрізь виразно помітна активна технологічна еволюція, яка не припиняється ні на рік . З чим же це пов’язано?

Це пов’язано, очевидно, з тим, що в якийсь момент виробники виявляються не в змозі задовольнити запити споживачів на можливості і якість силового електронного устаткування: у реле іскрять і обгорають контакти, біполярні транзистори для управління вимагають занадто багато потужності, силові блоки займають неприйнятно багато місця і т. п. Виробники конкурують між собою – хто першим запропонує кращу альтернативу …?

Так і з’явилися польові MOSFET транзистори, завдяки яким управління потоком носіїв заряду стало можливим не за допомогою зміни струму бази, як у біполярних предків, а за допомогою електричного поля затвора, по суті – просто прикладеним до затвору напругою.

В результаті вже до початку 2000-х частка силових пристроїв на MOSFET і IGBT становила близько 30%, в той час як біполярні транзистори в силовій електроніці залишилося менше 20%. За останні років 15 стався ще більш істотний ривок, і біполярні транзистори в класичному розумінні майже повністю поступилися місцем MOSFET і IGBT в сегменті керованих силових напівпровідникових ключів.

Проектуючи, наприклад, силовий високочастотний перетворювач, розробник вже вибирає між MOSFET і IGBT – обидва з яких управляються напругою, що прикладається до затвора, а зовсім не струмом, як біполярні транзистори, і ланцюги управління виходять в результаті більш простими. Давайте, однак розглянемо особливості цих самих транзисторів, керованих напругою затвора.

MOSFET або IGBT

У IGBT (БТІЗ-біполярний транзистор з ізольованим затвором) у відкритому стані робочий струм проходить через p-n-перехід, а у MOSFET – через канал стік-витік, що володіє резистивним характером. Ось і можливості для розсіювання потужності у цих приладів розрізняються, втрати виходять різними: у MOSFET-польовика розсіює потужність буде пропорційна квадрату струму через канал і опору каналу, в той час як у БТІЗ розсіює потужність виявиться пропорційна напрузі насичення колектор-емітер і току через канал в першого ступеня.

Якщо нам потрібно знизити втрати на ключі, то буде потрібно вибрати MOSFET з меншим опором каналу, однак не варто забувати, що з ростом температури напівпровідника це опір зросте й втрати на нагрів все ж зростуть. А ось у IGBT з ростом температури напруга насичення p-n-переходу навпаки знижується, значить і втрати на нагрів зменшуються.

Але не все так просто, як може здатися на погляд недосвідченого в силовій електроніці людини. Механізми визначення втрат у IGBT і MOSFET в корені відрізняються.

Як ви зрозуміли, у MOSFET-транзистора опір каналу в провідному стані обумовлює певні втрати потужності на ньому, які за статистикою майже в 4 рази перевершують потужність, затрачену на управління затвором.

У IGBT справа йде з точністю до навпаки: втрати на переході менше, а ось витрати енергії на управління – більше. Мова про частотах порядку 60 кГц, і чим вище частота – тим більше втрати на управління затвором, особливо стосовно IGBT.

Справа вся в тому, що в MOSFET неосновні носії заряду НЕ рекомбінують, як це відбувається в IGBT, в складі якого є польовий MOSFET-транзистор, що визначає швидкість відкривання, але де база недоступна безпосередньо, і прискорити процес за допомогою зовнішніх схем не можна. В результаті динамічні характеристики у IGBT обмежені, обмежена і гранична робоча частота.

Підвищуючи коефіцієнт передачі і знижуючи напругу насичення – припустимо, знизимо статичні втрати, але зате підвищимо втрати при перемиканні. З цієї причини виробники IGBT-транзисторів вказують в документації на свої прилади оптимальну частоту і максимальну швидкість перемикання.

Є недолік і у MOSFET. Його внутрішній діод відрізняється кінцевим часом зворотного відновлення, яке так чи інакше перевищує час відновлення, характерне для внутрішніх антипаралельних діодів IGBT. У підсумку маємо втрати включення і струмові перевантаження у MOSFET в полу мостова схема.

Тепер безпосередньо про розсіюється тепло. Площа напівпровідникової IGBT-структури більше ніж у MOSFET, тому і розсіює потужність у IGBT більше, в той же час температура переходу в процесі роботи ключа зростає інтенсивніше, тому важливо правильно підібрати радіатор до ключу, грамотно розрахувавши потік тепла, прийнявши до уваги теплові опори всіх кордонів збірки.

У MOSFET на високих потужностях також ростуть втрати на нагрів, сильно перевершуючи втрати на управління затвором IGBT. При потужностях вище 300-500Вт і на частотах в районі 20-30 кГц перевага буде за IGBT-транзисторами.

Взагалі, для кожного завдання вибирають свій тип ключа, і є певні типові погляди на цей аспект. MOSFETи підійдуть для роботи на частотах вище 20 кГц при напрузі живлення до 300 В – зарядні пристрої, імпульсні блоки живлення, компактні інвертори невеликої потужності і т. Д. – переважна більшість з них збирають сьогодні на MOSFET.

IGBT добре працюють на частотах до 20 кГц при напрузі живлення 1000 і більше вольт – частотні перетворювачі, ІБП і т. П. – ось низькочастотний сегмент силової техніки для IGBT-транзисторів.

У проміжній ніші – від 300 до 1000 вольт, на частотах порядку 10 кГц, – підбір напівпровідникового ключа відповідної технології здійснюють суто індивідуально, зважуючи всі за і проти, включаючи ціну, габарити, ККД і інші фактори.

Тим часом не можна однозначно сказати, що в однієї типової ситуації підійде саме IGBT, а в іншій – тільки MOSFET. Необхідно комплексно підходити до розробки кожного конкретного пристрою. Виходячи з потужності приладу, режиму його роботи, передбачуваного теплового режиму, прийнятних габаритів, особливостей управління схемою і т.д.

І головне – вибравши ключі потрібного типу, розробнику важливо точно визначити їх параметри, бо в технічній документації (в даташіте) аж ніяк не завжди все точно відповідає реальності. Чим точніше будуть відомі параметри – тим ефективніше і надійніше вийде виріб, незалежно від того, чи йде мова про IGBT або про MOSFET.

Дивіться також: Біполярні і польові транзистори – в чому відмінність

Андрій повну 

Ссылка на основную публикацию