Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 

 

  • В чем отличие блока питания от драйвера для светодиодов: теория и практика, всё что нужно знать
  • Неисправности светодиодных лент и методы их ремонта
  • Инфракрасные системы отопления и инфракрасные обогреватели
  • Как сделать ветрогенератор своими руками
  • Почему мигают светодиодные лампы после выключения? Виноват выключатель с подсветкой!
  • Как выбрать настольную лампу для работы или учёбы
  • 10 интересных проектов для Arduino
  • Электрик  

    Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника » Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения
    Количество просмотров: 83078
    Комментарии к статье: 9


    Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения

    Технологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. С чем же это связано?

    Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу…?

    Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.

    Полевой MOSFET транзистор

    В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.

    MOSFET и IGBT транзисторы

    Проектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.

     

    MOSFET или IGBT

    У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.

    MOSFET или IGBT

    Если нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода наоборот снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.

    Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются.

    Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.

    У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.

    Транзистор IGBT

    Дело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.

    Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.

    Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.

    Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.

    У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами.

    Биполярный транзистор с изолированным затвором

    Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. - подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET.

    IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. - вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов.

    В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, - подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.

    Между тем нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.

    И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации (в даташите) отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.

    Смотрите также: Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие

    Андрей Повный 

    Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

    Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

    Факультет Интернет вещей

    Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

    Вы сможете:

    • Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

    • Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

    • Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

    Starter box для первых экспериментов в подарок!

    После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды...

    Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

    Подробнее здесь: Интернет вещей и современные встраиваемые системы






    Поделитесь этой статьей с друзьями:

    Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • IGBT-транзисторы - основные компоненты современной силовой электроники
  • Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие
  • Управление затвором MOSFET и IGBT, затворный резистор, шунтирующий конденса ...
  • Двунаправленная зарядка для использования SiC MOSFET в электромобилях
  • Драйверы для транзисторов MOSFET на таймере 555
  • Виды транзисторов и их применение
  • Выбор драйвера для MOSFET (пример расчета по параметрам)
  • Как подобрать аналог транзистора
  • Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование
  • Как рассчитать радиатор для транзистора
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

    Транзисторы для чайников, Принцип работы транзистора, Силовая электроника

      Комментарии:

    #1 написал: Владимир | [цитировать]

    Спасибо, хорошая статья.

      Комментарии:

    #2 написал: Андрей Куликов | [цитировать]

    Кратко, но по теме.

      Комментарии:

    #3 написал: Stanislav2018 | [цитировать]

    "MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В "
    "IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт "
    Получается , для сварочных инверторов полевики подходят больше , чем гибриды полевиков с биполярными ключами ?

      Комментарии:

    #4 написал: Ruso | [цитировать]

    Нет, для сварочников имменно IGBT, про всплески напряжения не забывайте...

      Комментарии:

    #5 написал: Максим | [цитировать]

    IGBT - это аббревиатура от биполярного транзистора с изолированным затвором. Проще говоря, это электронный переключатель. Что делает IGBT таким особенным, так это то, что он очень эффективен и быстр? Это идеальные функции для электронного управления скоростью и основа всей современной силовой электронной техники!

      Комментарии:

    #6 написал: Павел | [цитировать]

    Транзисторы IGBT с точки зрения конструкции представляют собой комбинацию транзистора MOSFET (простота управления) и биполярного транзистора (низкое сопротивление во включенном состоянии и высокий допустимый ток).  

      Комментарии:

    #7 написал: Алексей | [цитировать]

    Stanislav2018,
    Нет. У мосфетов резистивный характер в открытом состоянии, а у игбт, как у биполярных транзисторов, что в результате даёт зачастую меньшие потери. Также нужно сравнивать потери переключения (динамические потери) не обобщенно, а на примере конкретных ключей. Павел в комментарии ниже вашего правильно пишет. 

      Комментарии:

    #8 написал: Cree Inc | [цитировать]

    До недавнего времени на рынке силовых модулей доминировали кремниевые биполярные транзисторы с изолированными затворами (Si IGBT). Изменение спроса и ориентация на более высокую эффективность преобразования снизило популярность этих модулей в приложениях высокой мощности, что привело к появлению силовых устройств на основе карбида кремния. Новые компоненты на основе SiC способны работать при больших напряжениях и токах (большей мощности) в меньших габаритах, чем их аналоги на основе кремния, что позволяет создавать модули с высокой плотностью мощности, минимальными паразитными элементами и высокой рабочей температурой.

    Новейшие SiC-транзисторы разработаны с использованием полупроводников из карбида кремния, который имеет ширину запрещенной зоны почти в три раза выше, чем у кремния, в 10 раз большее критическое поле, в пять раз лучшую теплопроводность, а по общей мощности значительно превосходит возможности кремния. Преимущества технологии SiC в сочетании с MOSFET-транзисторами, в отличие от биполярных транзисторов, позволяют новым 100% SiC-приборам обеспечивать гораздо более высокие рабочие напряжения и токи в корпусах, соизмеримых со стандартными Si IGBT. Кроме того, SiC-приборы способны обеспечить гораздо меньшие (> 5 раз) коммутационные потери, чем Si IGBT, следовательно, частота переключения SiC может быть в несколько раз выше (типовое значение 10–50 кГц), чем у Si IGBT, имеющих ограниченную скорость коммутации. Меньшие потери проводимости SiC позволяют обеспечить большую эффективность при частичных нагрузках по сравнению с Si IGBT.

    Преобразователи, возможности которых были ограничены килогерцовыми частотами переключения Si IGBT, могут извлечь выго- ду из многократного увеличения скорости коммутации, обеспечиваемого модулями SiC.

      Комментарии:

    #9 написал: Али Серджаев | [цитировать]

    Что такое IGBT? IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) - это трехконтактный переключатель питания, имеющий высокий входной импеданс, такой как PMOSFET, и низкие потери мощности в открытом состоянии, как в BJT (биполярный переходный транзистор). Таким образом, IGBT - это комбинация лучших качеств как BJT, так и PMOSFET. Это самый популярный выключатель питания среди инженеров силовой электроники, который находит множество применений. IGBT - это трехполюсное устройство. Три терминала - это ворота (G), эмиттер (E) и коллектор (C). 

    Добавление комментария
    Имя:*
    Комментарий:

    Популярные статьи:

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Яндекс Дзен

     


    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки

    Copyright © 2009-2021 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.

    Источник иллюстраций: авторские рисунки и фотографии, электрика на стоковых фото