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.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника » Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения
Количество просмотров: 111688
Комментарии к статье: 14


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 

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день



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
  • Классификация транзисторов
  • Выбор драйвера для MOSFET (пример расчета по параметрам)
  • Как подобрать аналог транзистора
  • Полевые транзисторы: принцип действия, схемы, режимы работы и моделирование
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

    Транзисторы для чайников, Принцип работы транзистора, Силовая электроника, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Владимир |

    Спасибо, хорошая статья.

      Комментарии:

    #2 написал: Андрей Куликов |

    Кратко, но по теме.

      Комментарии:

    #3 написал: Stanislav2018 |

    "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 |

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

      Комментарии:

    #5 написал: Максим |

    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 |

    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 |

    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 |

    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 |

    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). 

      Комментарии:

    #10 написал: Макар |

    Выпуск IGBT и MOSEF транзисторов – т.е. полностью управляемых компонентов, ШИМ-выпрямителей по сравнению с классическим фазовым управлением, различные свойства импульсного классического выпрямителя) застал в определенной степени неподготовленных конструкторов и пользователей, не умеющих использовать технико-экономические преимущества импульсных выпрямителей во всех аспектах.

      Комментарии:

    #11 написал: Роберт |

    Транзисторные модули, т.е. на основе униполярных силовых транзисторов, представляют собой элементы, предназначенные для использования, в том числе, в импульсных источниках питания, преобразователях постоянного тока, а также в контроллерах двигателей постоянного и переменного тока и сервоконтроллерах (например, элементы промышленной робототехники). В зависимости от модели модули могут управлять током до 660 А и адаптированы к напряжению (сток/исток) до 1,4 кВ. 

      Комментарии:

    #12 написал: Михаил |

    MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) и IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) - это два разных типа транзисторов, используемых для управления электромоторами, освещением, и другими приложениями, требующими управления большими силами тока.

    MOSFET транзисторы используются в схемах, где необходимо управление высокими частотами переключения и малым сопротивлением канала. Они позволяют работать с высокой частотой переключения, достигая высокой эффективности работы и высокой скорости переключения. MOSFET транзисторы обладают высоким КПД и малой тепловыделением, что позволяет использовать их в большом диапазоне приложений.

    IGBT транзисторы - это транзисторы с изолированным затвором и биполярным транзистором в качестве управляющего устройства. Они используются для управления высокими силами тока и высокой напряженности, а также в схемах, где необходимо большое сопротивление и управляемость. IGBT транзисторы обладают высоким уровнем управляемости, что позволяет использовать их в схемах с большой нагрузкой, такими как мощные электромоторы и другие силовые устройства.

    Одной из ключевых особенностей IGBT транзисторов является возможность контролировать силу тока и напряжение в высоком диапазоне. Также IGBT транзисторы имеют большой ток насыщения, что делает их хорошим выбором для приложений с высокими силами тока.

    Выбор между MOSFET и IGBT транзисторами зависит от конкретных потребностей приложения. Если необходимо высокое сопротивление и скорость переключения, то лучший выбор - MOSFET транзисторы. Если же необходимо управление высокой силой тока и напряжением, то лучший выбор - IGBT транзисторы.

      Комментарии:

    #13 написал: Леонид Дробышев |

    IGBT обычно используются там, где требуется высокая мощность и эффективность, а также в тех случаях, когда необходимо управлять большими токами. MOSFET транзисторы, с другой стороны, обычно используются в устройствах с высокой скоростью переключения и в тех случаях, когда требуется малое сопротивление в открытом состоянии. В целом, выбор между IGBT и MOSFET зависит от конкретных требований схемы.

      Комментарии:

    #14 написал: Геннадий |

    Подскажите пожалуйста, что я могу использовать в качестве ключа, для прокрутки редукторного стартера 12в 1.2квт. Длительностью в 2-4 секунды.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 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.