MOSFET vs. IGBT

W świecie elektroniki energetycznej wybranie odpowiedniego urządzenia półprzewodnikowego jest bardzo ważne dla poprawy wydajności, wydajności i niezawodności systemów elektronicznych.Dwie popularne opcje to bipolarne tranzystory bipolarne (SI IGBTS) i węglika krzemu-tlenku-tlenk-semiconductor tranzystory (SIC MOSFET).Każde z tych urządzeń ma unikalne funkcje i korzyści, dzięki czemu są odpowiednie do różnych zastosowań.W tym artykule wyjaśniono główne różnice między SI igbts i SIC MOSFET, omawiając ich cechy, zalety, wady i sposób wpływu na technologię falownika, szczególnie w systemach napędu motorycznego.Rozumiejąc te różnice, inżynierowie i projektanci mogą podejmować lepsze decyzje w celu ulepszenia swoich projektów elektroniki.

Katalog

Rysunek 1: MOSFET vs. IGBT

Zrozumienie SI Igbts i SIC MOSFETS

Sic Mosfets

Krzemowe węglika z węglikiem-tlenkiem-semiconductor-skutki terenowe (SIC MOSFET) działają poprzez kontrolowanie napięcia przyłożonego do ich zacisku bramkowego.Jedną z głównych zalet MOSFET SIC jest ich silna odporność na ucieczkę termiczną, stan, w którym wzrost temperatury prowadzi do dalszego wzrostu temperatury, potencjalnie powodując awarię urządzenia.Odporność ta wynika głównie z lepszej przewodności cieplnej węgliku krzemu (SIC) w porównaniu do zwykłego krzemu.Wysoka przewodność cieplna SIC zapewnia skuteczne rozpraszanie ciepła na poziomie urządzenia, utrzymując stabilne temperatury robocze nawet w warunkach wysokiej mocy.

Ta zdolność do zarządzania ciepłem jest bardzo ważna w środowiskach o wysokich temperaturach, takich jak te znajdujące się w samochodach i warunkach przemysłowych.W takich sytuacjach niezawodność i wydajność części elektronicznych są bardzo ważne, a MOSFET SIC zapewniają silne rozwiązanie.Ich zdolność do utrzymania wydajności i zapobiegania przegrzaniu w trudnych warunkach sprawia, że ​​są wysoce pożądane dla elektroniki energetycznej, gdzie zarządzanie ciepłem jest dużym problemem.

Si igbts

Tranzystory bipolarne z bramą krzemową (SI IGBT) to urządzenia półprzewodnikowe kontrolowane przez prąd, które działają poprzez zastosowanie prądu do zacisku bramki.Tranzystory te są powszechnie stosowane w aplikacjach, które konwertują prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC), szczególnie w napędach silnikowych.Przyciąganie SI IGBTS to ich zdolność do skutecznego radzenia sobie z wysokimi prądami.Oferują również szybkie prędkości przełączania, co jest bardzo ważne w przypadku aplikacji wymagających szybkiej i precyzyjnej kontroli mocy.

Jeśli chodzi o charakterystykę elektryczną, SI IGBT mają wysokie napięcie, umożliwiając im bezpieczne działanie w warunkach wysokiego napięcia.Mają również niski spadek napięcia na urządzenie podczas prowadzenia prądu, co prowadzi do niższych strat mocy i lepszej wydajności.Ponadto SI IGBT mają niskie straty przewodności, co oznacza, że ​​zużywają mniej energii, gdy tranzystor jest w stanie „ON”, poprawiając ogólną wydajność systemu.

Cechy te sprawiają, że SI IGBT są szczególnie odpowiednie do zastosowań napędu silnikowego o dużej mocy, takich jak te w systemach produkcyjnych.Ich silna wydajność w tych trudnych środowiskach wynika z ich zdolności do skutecznego przełączania dużych prądów i napięć, co czyni je niedrogim i niezawodnym wyborem do kontrolowania silników o dużej mocy.

Falowniki i ich wpływ na systemy napędu silnikowego

Rysunek 2: falowniki i ich wpływ na systemy napędu silnikowego

W aplikacjach napędu silnikowego falowniki odgrywają główną rolę w zmianie prądu stałego (DC) z systemów akumulatorów na prąd naprzemiennie (AC), którego silniki elektryczne muszą uruchomić.Ta zmiana jest bardzo niezbędna w przypadku pojazdów elektrycznych, w których duże pakiety akumulatorów zapewniają potrzebę prądu stałego.Falowniki obsługują wiele ważnych części wydajności silnika, w tym prędkość, moment obrotowy, moc i wydajność.Pomagają również w hamowaniu regeneracyjnym, który jest cechą, która przechwytuje energię podczas hamowania i wysyła ją z powrotem do baterii, dzięki czemu cały system jest bardziej energooszczędny.

Rodzaj używanego falownika znacznie wpływa na to, jak dobrze działa system napędu silnikowego.Historycznie szeroko stosowane były dwa rodzaje falowników: transystory bipolarne izolowanej bramki silikonowej (SI IGBTS) i tranzystory pola-semiconductor z węglika krzemu (MOSFET SIC).

Si igbts były standardowym wyborem, ponieważ są niezawodne, a procesy produkcyjne dla nich są dobrze ustalone.Jednak SIC MOSFETS stają się coraz bardziej popularne, ponieważ osiągają lepsze wyniki.MOSFET SIC mają niższe straty przełączania, lepszą przewodność cieplną i mogą działać przy wyższych częstotliwościach i temperaturach w porównaniu do SI IgBT.Zalety te prowadzą do lepszej wydajności, mniejszej potrzeby chłodzenia i możliwości projektowania mniejszych i lżejszych systemów napędu silnikowego.

Początkowo wysokie koszty SIC MOSFET ograniczały ich zastosowanie do aplikacji wysokiej klasy lub specjalnych.Jednak ulepszenia w technologii produkcyjnej i produkcji masowej znacznie zmniejszyły koszty urządzeń SIC, co czyni je praktyczną i atrakcyjną opcją dla szerszego zakresu zastosowań napędu silnikowego.Ta redukcja kosztów, wraz z ich korzyściami, doprowadziła do większego wykorzystania SIC MOSFET w różnych branżach, w tym sektorów automatyki motoryzacyjnej, przemysłowej i energii odnawialnej.

Zalety i wady SI Igbts i SIC

Si IgBT (tranzystory bipolarne izolowanej krzemu)

Tranzystory bipolarne izolowanej silikonowej (SI IGBT) są szeroko stosowane w zastosowaniach o dużej mocy ze względu na ich cechy o dobrej wydajności.Oto szczegółowe spojrzenie na ich zalety i wady:

• Zalety Si igbts

Dobrze radzi sobie z dużymi prądami: Si igbts są bardzo dobre w skutecznym zarządzaniu dużymi prądami.To sprawia, że ​​są dobrym wyborem dla zastosowań, które muszą obsługiwać duże obciążenia zasilania, takie jak maszyny przemysłowe i pojazdy elektryczne.

Szybka prędkość przełączania: SI IGBT mogą szybko włączać się i wyłączać, co poprawia wydajność w systemach, które wymagają szybkich zmian prądu.Ta zdolność szybkiego przełączania jest pomocna w aplikacjach wymagających szybkich zmian, co prowadzi do lepszej reakcji i wydajności.

Niski koszt: Proces produkcyjny dla SI IGBTS jest dojrzały i dobrze ugruntowany, co powoduje niższe koszty produkcji.Ta przewaga kosztowa sprawia, że ​​SI Igbts jest przyjaznym budżetem dla wielu aplikacji o dużej mocy, utrzymując ogólne wydatki systemowe.

Może obsłużyć wysokie napięcia: SI IGBTS mogą wytrzymać wysokie napięcia, co czyni je odpowiednimi do zastosowań, które działają na poziomach wysokiego napięcia.Ta zdolność jest szczególnie przydatna w systemach transmisji i dystrybucji mocy, w których potrzebna jest wytrzymałość wysokiego napięcia.

Niska utrata energii: Si IgBT mają minimalny spadek napięcia i straty przewodności podczas prowadzenia prądu.Wydajność ta przekłada się na zmniejszoną utratę energii i poprawę ogólnej wydajności systemu, co jest dobre do utrzymania wysokiej wydajności w zastosowaniach wrażliwych na moc.

• Wady Si igbts

Podatny na przegrzanie: W zastosowaniach o dużej mocy, takich jak te w pojazdach elektrycznych lub systemach przemysłowych, SI IGBT mogą się przegrzać.To przegrzanie może prowadzić do niekontrolowania termicznego, stanu, w którym wzrost temperatury powoduje dalszy wzrost temperatury, potencjalnie prowadząc do awarii urządzenia.Ryzyko problemów termicznych stanowi problem niezawodności w sytuacjach o dużej mocy.

Wolniejsze czasy wyłączenia: W porównaniu z niektórymi nowszymi urządzeniami półprzewodnikowymi SI IGBTS trwają dłużej.To wolniejsze wyłączenie może ograniczyć ich skuteczność w aplikacjach wymagających bardzo szybkiego przełączania, takich jak falowniki o wysokiej częstotliwości lub zaawansowane systemy sterowania silnikiem.Wolniejszy czas wyłączenia może prowadzić do zwiększenia strat przełączania i zmniejszenia ogólnej wydajności w takich zastosowaniach.

SIC MOSFETS (tranzystory pola-skutkowe z węglika krzemu-tlenku-tlenku-tlenku)

W zastosowaniach napędu motorycznego wybór między tranzystorami bipolarnymi bramki izolowanej krzemu (SI IGBTS) a tranzystorami w polu-tlenku z węglika krzemu (SIC MOSFET) znacznie wpływa na wydajność i wydajność systemu.Zrozumienie zalet i wad SIC MOSFETS pomaga wyjaśnić, dlaczego stają się popularnym wyborem w wielu aplikacjach o wysokiej wydajności pomimo pewnych wyzwań.

• Zalety MOSFET SIC

Wyższa wydajność: MOSFET SIC mają niższe straty przewodzenia i przełączania w porównaniu do SI IGBT.Ta poprawa wydajności zmniejsza zużycie energii i zwiększa ogólną wydajność systemu napędu silnikowego.Niższe straty oznaczają, że mniej energii jest marnowane jako ciepło, co prowadzi do bardziej efektywnego zużycia mocy.

Lepsze zarządzanie ciepłem: Krzem krzemowy prowadzi ciepło lepiej niż krzem.Pozwala to SIC MOSFETS skuteczniej obsługiwać ciepło, utrzymując swoją wydajność i niezawodność nawet w warunkach dużej mocy.Lepsze zarządzanie ciepłem zmniejsza potrzebę intensywnych systemów chłodzenia, dzięki czemu projektowanie jest prostsze i obniżają koszty.

Szybsze przełączanie: SIC MOSFET mogą działać przy znacznie wyższych częstotliwościach przełączania niż SI IGBT.Szybsze przełączanie pozwala na dokładniejszą kontrolę silnika i może poprawić wydajność w aplikacjach wymagających szybkiego przełączania.Jest to szczególnie przydatne w napędach pojazdów elektrycznych i przemysłowej kontroli motorycznej, gdzie wydajność i szybkie czasy reakcji są bardzo ważne.

Obsługa wyższego napięcia: SIC MOSFETS mogą zarządzać wyższymi napięciami niż SI IGBT, co czyni je odpowiednimi do zastosowań o wysokim napięciu.Ta wyższa tolerancja napięcia jest przydatna w interfejsach siatki mocy i dyskach przemysłowych o dużej mocy, w których potrzebne jest silne obsługa napięcia.

Mniejszy rozmiar: Ze względu na ich lepszą wydajność i właściwości cieplne MOSFET SIC mogą być mniejsze niż ich krzemowe odpowiedniki.Ta redukcja wielkości jest dobra do tworzenia bardziej kompaktowych i lekkich systemów, co jest szczególnie cenne w zastosowaniach takich jak pojazdy elektryczne, w których oszczędzanie przestrzeni i wagi są bardzo ważne.

• Wady MOSFET SIC

Wyższy koszt: Tworzenie MOSFETS SIC jest bardziej złożone i kosztowne niż robienie SI igbts.Ten wyższy koszt produkcji prowadzi do wyższej ceny zakupu, co może być barierą, szczególnie w aplikacjach wrażliwych na koszty.Jednak wraz ze wzrostem produkcji i wytwarzania większych ilości, koszty te stopniowo zmniejszają się.

Ograniczone wykorzystanie rynku: Jako nowsza technologia SIC MOSFETS nie zostały jeszcze przyjęte tak szeroko, jak SI Igbts.To ograniczone zastosowanie może spowodować mniej dostępnych komponentów i mniej wsparcia, co utrudnia inżynierom znalezienie części i uzyskanie pomocy technicznej.Z czasem, ponieważ technologia SIC staje się bardziej powszechna, oczekuje się, że ograniczenie to się zmniejszy.

Złożone potrzeby napędu: SIC MOSFETS często potrzebują bardziej zaawansowanych obwodów napędowych w porównaniu do SI IGBTS.Złożoność tego obwodu napędowego może komplikować ogólny projekt systemu i prawdopodobnie zwiększyć koszty rozwoju.Inżynierowie muszą starannie zaprojektować i wdrażać te obwody, aby w pełni skorzystać z technologii SIC.

Ulepszona technologia falownika z MOSFET SIC

Rycina 3: Porównanie roztworu SI SIF SINET vs. SIC dla falowników napędu silnikowego

MOSFETY KILIKONKI CAŁKOWE (SIC MOSFET) znacznie ulepszyły technologię falownika w systemach napędowych motorycznych, oferując wiele korzyści nad izolowanymi tranzystorami bipolarnymi bramą izolowaną krzemionową (SI IGBTS).SIC MOSFET mogą działać przy znacznie wyższych prędkościach przełączania ze względu na ich niższe straty przełączania, umożliwiając dokładniejszą kontrolę prędkości silnika i momentu obrotowego.Lepsze radzą sobie również z ciepłem, co oznacza, że ​​bardziej skutecznie pozbywają się ciepła i zmniejszają potrzebę dużych systemów chłodzenia.Prowadzi to do mniejszych i lżejszych projektów falownika, co jest szczególnie dobre dla pojazdów elektrycznych.

MOSFET SIC mogą również działać w wyższych temperaturach, zwiększając niezawodność i żywotność systemów napędu silnikowego w trudnych warunkach.Podczas gdy SI IGBT mogą być nadal stosowane w tańszych zastosowaniach lub gdy wysokie prędkości przełączania i zarządzanie ciepłem są mniej niepokojące, wydajność, lepsza obsługa ciepła i wyższa wydajność MOSFET SIC sprawiają, że są idealne do wysokowydajnych i niezawodnych zastosowań motorycznych,w tym pojazdy elektryczne i automatyzacja przemysłowa.

Główne różnice między IGBT i MOSFET

Parametr	IGBT	Mosfet
Zakres napięcia	600 V do 6500 V (wspólne zastosowania wysokiego napięcia)	Od 20 V do 1000 V (wspólne zastosowania niskiego lub średniego napięcia)
Typowe zastosowania	Wysokie napięcie, zastosowania o wysokim prądu, np. Siły Power, przemysłowe silniki i falowniki	Zastosowania o niskim lub średnim napięciu, np. Zasilacze, dźwięk wzmacniacze i kontrolery silnika
Spadek napięcia w stanie (vCe Lub VDs)	Wyższy spadek napięcia, zazwyczaj od 2 V do 4 V	Niższy spadek napięcia, zwykle 0,1 V do 1 V
Prędkość przełączania	Wolniejsza prędkość przełączania (bardziej odpowiednia dla niższej częstotliwości Zastosowania)	Szybsza prędkość przełączania (bardziej odpowiednia do zastosowań o wysokiej częstotliwości)
Straty przewodnictwa	Wyższy z powodu charakteru dwubiegunowego i wyższego spadku napięcia	Niższe z powodu natury jednobiegunowej i niższego spadku napięcia
Przełączanie strat	Wyższa z powodu wolniejszej prędkości przełączania	Niższa z powodu szybszej prędkości przełączania
Stabilność termiczna	Lepsza wydajność termiczna przy wyższych poziomach mocy	Ograniczona wydajność termiczna w porównaniu do IGBT
Złożoność kontroli	Łatwiejsze wymagania dotyczące napędu bramki, zazwyczaj sterowane napięciem	Zazwyczaj wymaga bardziej złożonych obwodów napędu bramkowego kontrolowany aktualnie
Surowość	Ogólnie lepsze władzy w zakresie zwarcia	Zazwyczaj niższy obwód wytrzymałości
Koszt	Ogólnie wyższe dla równoważnych ocen napięcia	Ogólnie niższe dla równoważnych ocen napięcia

Rodzaj urządzenia

Rysunek 4: Rodzaj urządzenia - porównanie symboli MOSFET i IGBT

IGBT (izolowana bipolarne tranzystory) są mieszanką MOSFET (tranzystory bipolarne-terenowe-tlenku-tlenku) i tranzystorów dwubiegunowych.Mają bramę kontrolowaną napięciem, taką jak MOSFETS, która ułatwia przełączanie.Mają także zdolność do przenoszenia prądu dwubiegunowego, umożliwiając im obsługę wysokich poziomów mocy.Natomiast MOSFETS są tylko tranzystorami kontrolowanymi przez napięcie.Przepływ prądu między ich zaciskami źródłowymi i spustowymi jest kontrolowany przez napięcie przyłożone do bramy.

Ocena napięcia

Rysunek 5: Napięcie spust/kolektora vs.Obecny dla MOSFET i IGBT

W przypadku oceny napięcia IGBT są lepsze do zastosowań o wysokim napięciu, od setek do tysięcy woltów.To sprawia, że ​​nadają się do zastosowań o dużej mocy, takich jak dyski silnikowe i falowniki energetyczne.MOSFET są zwykle stosowane w zastosowaniach do niższych do średniego napięcia, od dziesiątek do setek woltów, które są powszechne w elektronicznych obwodach przełączających i regulatorach napięcia.

Obecna obsługa

Rycina 6: Charakterystyka VD-ID w 25 ° C i 150 ° C dla MOSFET i IGBT

Jeśli chodzi o obecne obsługa, IGBT są świetne do zastosowań o wysokim bieżącym poziomie ze względu na ich zdolność do przenoszenia prądu dwubiegunowego.To sprawia, że ​​są przydatne w ustawieniach o dużej mocy.MOSFETS są jednak zwykle używane do niższych lub umiarkowanych aplikacji prądowych, w których potrzebne są wysokie wydajność i szybkie przełączanie.

Prędkość przełączania

Prędkość przełączania to kolejna duża różnica.IGBTS przełącza się wolniej niż MOSFETS, co jest w porządku dla aplikacji, w których szybkie przełączanie nie jest potrzebne.Z drugiej strony MOSFET są tworzone do użytku o wysokiej częstotliwości, oferując szybsze prędkości przełączania.To sprawia, że ​​nadają się do zastosowań takich jak zasilacze i konwertery, które wymagają szybkiego i wydajnego przełączania.

Efektywność

Wydajność różni się między IGBT i MOSFET w zależności od poziomów napięcia i prądu.IGBT mają niższe straty przewodzenia przy wysokich napięciach i prądach, co czyni je bardziej wydajnymi w zastosowaniach o dużej mocy.MOSFETS są jednak bardziej wydajne przy niskich napięciach i prądach ze względu na ich niską oporność i szybkie przełączanie.

Zastosowania

Rysunek 7: Podstawowa struktura MOSFET vs.Podstawowa struktura IGBT

Zastosowania tych urządzeń odzwierciedlają ich mocne strony.IGBT są powszechnie stosowane w sytuacjach o dużej mocy, takich jak napędy silnikowe, falowniki energetyczne i systemy grzewcze indukcyjne ze względu na ich zdolność do obsługi wysokiego napięcia i prądu.MOSFET są lepsze w przypadku aplikacji, które priorytetowo traktują szybkie przełączanie i wydajność przy niższych poziomach mocy, takie jak elektroniczne obwody przełączania i regulatory napięcia.

Wymagania dotyczące napędu bramki

Wreszcie wymagania dotyczące napędu bramki różnią się między IGBT i MOSFET.IGBT potrzebują dodatniego napięcia na bramie w stosunku do emitera, aby włączyć, i wyłączyć, zmniejszając napięcie bramki.MOSFETS potrzebują jednak dodatniego napięcia na bramie w stosunku do źródła zarówno włączania, jak i wyłączania, dzięki czemu jazda bramą jest prostsza i prosta.

Wniosek

Zarówno SI IGBTS, jak i MOSFET SIC mają unikalne mocne strony, które pasują do różnych zastosowań o dużej mocy.Si igbts są świetne w obsłudze dużych prądów i wysokich napięć i są tańsze w produkcji, co czyni je niezawodnymi do tradycyjnych zastosowań, takich jak silniki przemysłowe i sieci energetyczne.Mogą jednak przegrzać i zmieniać się wolniej, co może stanowić problem w środowisku szybkim lub bardzo gorącym.

Z drugiej strony SIC MOSFETS lepiej obsługuje ciepło, przełączają się szybciej i są bardziej wydajne, co czyni je ulubionymi nowoczesnymi zastosowaniami, takimi jak samochody elektryczne i systemy przemysłowe o wysokiej wydajności.Chociaż na początku kosztują więcej i wymagają bardziej złożonych obwodów napędowych, ciągłe ulepszenia technologii SIC zmniejszają te problemy, co prowadzi do szerszego zastosowania.

Wybór między SI IgBTS a MOSFET SIC zależy od konkretnych potrzeb zastosowania, takich jak poziomy napięcia i prądu, prędkość przełączania i zarządzanie ciepłem.Korzystając z mocnych stron każdego urządzenia, inżynierowie mogą projektować i budować lepszą energię elektroniczną, zwiększając ulepszenia i wydajność w różnych dziedzinach technologii.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Które jest lepsze IGBT lub MOSFET?

Wybór między IGBT a MOSFET zależy od tego, do czego potrzebujesz.MOSFETS są na ogół lepsze w przypadku zadań o niskiej i średniej mocy, które wymagają szybkiej prędkości przełączania i dobrego zarządzania ciepłem.Są dobre do takich rzeczy, jak zasilacze i kontrolery silnika.Z drugiej strony IGBT są lepsze do zadań o dużej mocy, ponieważ mogą obsługiwać większe prądy i wyższe napięcia, co czyni je idealnymi do silników przemysłowych i falowników energetycznych.

2. Czy IGBT może zastąpić MOSFET?

Czasami IGBT mogą zastąpić MOSFET, szczególnie w zadaniach o dużej mocy, w których bardzo potrzebna jest obsługa dużych prądów i napięć.Ponieważ jednak IGBTS przełączają się wolniej i inaczej obsługują ciepło, mogą nie być dobre dla zadań, które wymagają bardzo szybkiego przełączania i utraty niskiej mocy, gdzie MOSFET są lepsze.

3. Skąd mam wiedzieć, czy mam IGBT czy MOSFET?

Aby dowiedzieć się, czy masz IGBT lub MOSFET, sprawdź numer części i szczegóły od producenta.Arkusze danych pokażą, czy urządzenie jest IGBT, czy MOSFET.Mogą wyglądać podobnie, więc musisz sprawdzić dokumentację lub oznaczenia na komponencie.

4. Które jest najszybsze urządzenie przełączające IGBT lub MOSFET?

MOSFET są na ogół najszybciej przełączającymi urządzeniami w porównaniu do IGBT.Mogą przełączać się przy znacznie wyższych prędkościach, co czyni je odpowiednimi do zadań wymagających szybkiego przełączania, takich jak zasilacze i falowniki o wysokiej częstotliwości.

5. Skąd mam wiedzieć, czy mam IGBT czy MOSFET?

Możesz dowiedzieć się, czy masz IGBT, czy MOSFET, patrząc na oznaczenia komponentu i porównując je z arkuszami danych lub szczegółami producenta.Dokumenty te zawierają szczegółowe informacje na temat rodzaju urządzenia półprzewodnikowego, w tym niezależnie od tego, czy jest to IGBT, czy MOSFET.