MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить. 

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой – лучше IGBT.

Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях.

Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями. 

Кратко о MOSFET

MOSFET – это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток.

Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика.

Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком. 

Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено – может быть близко к нулю.

Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET.

Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем.

По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества – более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток.

Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером. 

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа. 

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей.

Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении.

Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении. 

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы. 

МОП-транзистор: 

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера. 
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль: 

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током.

Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность.

Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

   Форум по теории электроники

   Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Источник: https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/mosfet_tranzistory_protiv_igbt/5-1-0-1457

Транзистор IGBT – принцип работы, структура, основные характеристики

Силовой транзистор IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод – «затвор», который изолирован от силовой цепи. Полное название прибора: биполярный транзистор с изолированным затвором.

Характерная черта для этого транзистора – очень малое значение управляющей мощности, использованной для коммутационных операций существенных токовых значений силовых цепей.

Рис. №1. Эффективность использования технологий на основе мощных IGBT-транзисторов

Преобладающее значение приобрело его использование в цепях силового предназначения для частотных преобразователей, для двигателей переменного тока, мощность, которых может доходить до 1 МВт.

По своим вольтамперным характеристикам он считается аналогом биполярному транзистору, однако качественные энергетические показатели и чистота коммутационных действий намного выше, чем качество работы других полупроводниковых элементов.

Постоянно совершенствующиеся технологии позволяют улучшить качественные характеристики транзисторов. Созданы элементы, рассчитанные на большую величину напряжения, выше 3 кВ и большие значения тока до нескольких сотен ампер.

Основные характеристики мощных IGBT-транзисторов

• Напряжение управления – это разрешенная проводимость, которая отпирает или запирает прибор.
• Открытое проводящее состояние характеризуется падением напряжения, определяемым пороговым напряжением и внутренним сопротивлением, величина максимально допустимого тока.

Для применения в конструкции регуляторов скорости используются транзисторы, рассчитанные на рабочие частоты в пределах до нескольких десятков килогерц.

Преимущества IGBT транзисторов

• Высокая плотность тока.
• Практически отсутствие потерь статического и динамического типа.
• Отсутствие управляющего тока позволяет не прибегать к использованию гальванически изолированных схем для работы и управления с применением дискретных элементов и предоставляет возможность создания интегральных схем – драйверов.
• Стойкость к воздействию короткого замыкания.
• Относительная простота параллельного соединения.

При разработке схем включения с транзисторами IGBT необходимо обращать внимание на ограничение значения максимального тока.

Для этой цели используются следующие методы – это: правильный выбор параметров тока защиты и подбор резистора затвора Rg, а также применение цепей, которые формируют траекторию переключения.

Структура IGBT

Закрытое состояние прибора характеризуется напряжением, приложенным к области n-, она находится между коллектором и эмиттером.

Проводящий канал появляется при воздействии на затвор положительно заряженного потенциала в p-области, он обозначается как пунктирная линия. Ток из балласта идет из области n- (с минусом) в область n+.

При этом происходит открытие МОП-транзистора, что делает возможным открытие биполярного транзистора с p-n-p перехода транзистора.

Рис. №2. Структура транзистора IGBT.

Он пропускает через базовую область биполярного транзистора с p-n-p-переходом, при этом происходит уменьшение остаточного напряжения в области n-.

Опасность для схемы может представлять так называемый «паразитный биполярный транзистор», он может перейти в открытое состояние, называемое эффектом защелкивания, что влечет потерю управляемости.

Рис. №3. Схема включения транзистора IGBT эквивалентная структуре транзистора.

Применение IGBT-транзистора

Одной из важных сфер использования солового транзистора – это использование в сетях с напряжением 6,5 кВ для создания безопасной и гарантированно надежной работы электроустановок в режиме короткого замыкания.

Для ограничения токов к. з. и приближению их к величине, которая не приведет к повреждениям оборудования. Они выполняют ограничение напряжения на затворе до уровня, не превышающем U = 15,3В.

Это достигается с помощью применения следующих мер:

• Ограничение величины напряжения на затворе с помощью привязки к фиксированному уровню напряжения. Это возможно в том случае, если драйвер затвора обладает источником стабильного напряжения. Основной способ -добавление в схему диода с малым падением напряжения, например, диод Шотки. Высокая эффективность меры достигается снижением индуктивности цепи между клеммами источника и затвора.
• Ограничение значения напряжения на затворе с помощью присоединения в цепь между эмиттером и затвором – стабилитрона. Эффективность метода достигается максимально приближенным монтажом диодов к вспомогательным клеммам модуля. Для этой цели должны использоваться диоды с очень маленьким температурным дрейфом и разбросом, примером могут служить диоды ограничивающие переходные напряжения (диоды типа: 1,5КЕ6,8Са и 1,5КЕ7,5СА двунаправленные).
• Включение в схему отрицательной эмиттерной обратной связи. Этот метод возможен после подключения эмиттера драйвера затвора к основным клеммам эмиттера модуля. Эмиттерная связь обратного действия способствует эффективному ограничению напряжения на затворе.

Примеры расчета IGBT-транзистора

Выбор транзистора производится по следующим условиям, например, для преобразователей напряжения с резонансным контуром.

• Транзистор должен переключался при значении нулевого тока.
• Форма токовой синусоиды относительно силовых ключей должна быть аналогична к собственной частоте контура и составляет 100 кГц.
• Амплитуда тока должна соответствовать средней мощности, например, как 40 А к 2000 Вт.
• Определение максимального значения напряжения и максимальной частоты переключения транзисторов при условии, что плечи транзисторов должны работать в противофазе.

Для подбора драйвера IGBT транзистора руководствуются параметрами управления затвора, необходимого для коммутирования отпиранием и запиранием силового полупроводника. Для определения мощности управления нужно знать величину заряда затвора Q gate, частоту коммутации (fin) и реальный замеренный размах напряжения на выходе драйвера ΔVgate

Формула заряда затвора:

где время интегрирования должно не превышать время на управление выходных напряжений драйвера до их окончательных показателей, или при достижении выходного токового значения драйвера близкого к нулю.

Выбор максимальной величины тока управления  затвором определяется по упрощенной формуле:

Зависит от осцилляции величины тока на выходе. Если осцилляция тока управления затвором есть, то значение пикового тока должно быть очень большим, а его величина должна определяться исключительно с помощью измерения.

Не менее важны условия учета размаха выходного напряжения. Наихудший случай – это максимальное значение размаха на затворе, измеряется по реально существующей схеме.

Необходим учет максимальной рабочей температуры, руководствуются значением характерным для условия естественной конверсии без использования принудительного охлаждения.

Максимальная частота коммутации, она должна быть максимально-допустимая. На выбор оказывает влияние результирующая выходная мощность и рассеиваемая мощность резистора, используемого в цепи затвора.

Максимальный ток управления зависит от величины пикового тока, который может протекать через реальный контур управления затвором без появления осцилляций.

Проверка мощных IGBT-транзисторов

Проверка силового транзистора возникает при необходимости ревизии сгоревшего транзистора, например, при ремонте сгоревшего сварочного аппарата или с целью подбора пары для устройства, с тем, чтобы убедится, что это не «перемаркер».

Проверку осуществляем с помощью мультиметра: прозваниваем вывода коллектора и эмиттера в обоих направлениях, так мы убедимся в отсутствии короткого замыкания. Входную емкость затвор-эмиттер заряжаем отрицательным напряжением.

Осуществляется с помощью кратковременного и одновременного прикосновения щупом «СОМ» мультиметра затвора и щупом от гнезда «V/Ω/f» – эмиттера.

Рис. №4. Проверка транзистора IGBT.

Проверяем напряжение между коллектором и эмиттером, оно должно быть не больше 1,5В, меньшая величина напряжения характерна для низковольтных транзисторов.

Если напряжения мультиметра не хватает для открытия и проверки транзистора, входная емкость может заряжаться от источника постоянного напряжения со значением до 15 в.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта Электронщик, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное. Делитесь информацией в соцсетях, ставьте лайки, если вам понравилось – это поможет развитию канала

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c615e3c9e391400ae5f8253/5cee9ae669086f00b040c670

IGBT транзистор

Радиоэлектроника для начинающих

В современной силовой электронике широкое распространение получили так называемые транзисторы IGBT.

Данная аббревиатура заимствована из зарубежной терминологии и расшифровывается как Insulated Gate Bipolar Transistor, а на русский манер звучит как Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором. Поэтому IGBT транзисторы ещё называют БТИЗ.

БТИЗ представляет собой электронный силовой прибор, который используется в качестве мощного электронного ключа, устанавливаемого в импульсные источники питания, инверторы, а также системы управления электроприводами.

IGBT транзистор – это довольно хитроумный прибор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного транзистора. Данное сочетание привело к тому, что он унаследовал положительные качества, как полевого транзистора, так и биполярного.

Суть его работы заключается в том, что полевой транзистор управляет мощным биполярным. В результате переключение мощной нагрузки становиться возможным при малой мощности, так как управляющий сигнал поступает на затвор полевого транзистора.

Вот так выглядят современные IGBT FGH40N60SFD фирмы Fairchild. Их можно обнаружить в сварочных инверторах марки “Ресанта” и других аналогичных аппаратах.

Внутренняя структура БТИЗ – это каскадное подключение двух электронных входных ключей, которые управляют оконечным плюсом. Далее на рисунке показана упрощённая эквивалентная схема биполярного транзистора с изолированным затвором.

Упрощённая эквивалентная схема БТИЗ

Весь процесс работы БТИЗ может быть представлен двумя этапами: как только подается положительное напряжение, между затвором и истоком открывается полевой транзистор, то есть образуется n – канал между истоком и стоком.

При этом начинает происходить движение зарядов из области n в область p, что влечет за собой открытие биполярного транзистора, в результате чего от эмиттера к коллектору устремляется ток.

История появления БТИЗ

Впервые мощные полевые транзисторы появились в 1973 году, а уже в 1979 году была предложена схема составного транзистора, оснащенного управляемым биполярным транзистором при помощи полевого с изолированным затвором. В ходе тестов было установлено, что при использовании биполярного транзистора в качестве ключа на основном транзисторе насыщение отсутствует, а это значительно снижает задержку в случае выключения ключа.

Несколько позже, в 1985 году был представлен БТИЗ, отличительной особенностью которого была плоская структура, диапазон рабочих напряжений стал больше. Так, при высоких напряжениях и больших токах потери в открытом состоянии очень малы. При этом устройство имеет похожие характеристики переключения и проводимости, как у биполярного транзистора, а управление осуществляется за счет напряжения.

Первое поколение устройств имело некоторые недостатки: переключение происходило медленно, да и надежностью они не отличались.

Уже сейчас в магазинах электронных компонентов доступны IGBT транзисторы, которые могут коммутировать токи в диапазоне от нескольких десятков до сотен ампер (Iкэ max), а рабочее напряжение (Uкэ max) может варьироваться от нескольких сотен до тысячи и более вольт.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT) на принципиальных схемах

Поскольку БТИЗ имеет комбинированную структуру из полевого и биполярного транзистора, то и его выводы получили названия затвор – З (управляющий электрод), эмиттер (Э) и коллектор (К). На зарубежный манер вывод затвора обозначается буквой G, вывод эмиттера – E, а вывод коллектора – C.

Условное обозначение БТИЗ (IGBT)

На рисунке показано условное графическое обозначение биполярного транзистора с изолированным затвором. Также он может изображаться со встроенным быстродействующим диодом.

Особенности и сферы применения БТИЗ

Отличительные качества IGBT:

• Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
• Имеют низкие потери в открытом состоянии;
• Могут работать при температуре более 1000C;
• Способны работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт.

Перечисленные качества позволили применять IGBT транзисторы в инверторах, частотно-регулируемых приводах и в импульсных регуляторах тока.

Кроме того, они часто применяются в источниках сварочного тока (подробнее об устройстве сварочного инвертора), в системах управления мощными электроприводами, которые устанавливаются, например, на электротранспорт: электровозы, трамваи, троллейбусы. Такое решение значительно увеличивает КПД и обеспечивает высокую плавность хода.

Кроме того, устанавливают данные устройства в источниках бесперебойного питания и в сетях с высоким напряжением.

Их можно обнаружить в составе электронных схем стиральных, швейных и посудомоечных машин, инверторных кондиционеров, насосов, системах электронного зажигания автомобилей, системах электропитания серверного и телекоммуникационного оборудования. Как видим, сфера применения БТИЗ довольно велика.

IGBT-модули

IGBT-транзисторы выпускаются не только в виде отдельных компонентов, но и в виде сборок и модулей. На фото показан мощный IGBT-модуль BSM 50GB 120DN2 из частотного преобразователя (так называемого “частотника”) для управления трёхфазным двигателем.

IGBT модуль

Схемотехника частотника такова, что технологичнее применять сборку или модуль, в котором установлено несколько IGBT-транзисторов. Так, например, в данном модуле два IGBT-транзистора (полумост).

Стоит отметить, что IGBT и MOSFET в некоторых случаях являются взаимозаменяемыми, но для высокочастотных низковольтных каскадов предпочтение отдают транзисторам MOSFET, а для мощных высоковольтных – IGBT.

Так, например, IGBT транзисторы прекрасно выполняют свои функции при рабочих частотах до 20-50 килогерц. При более высоких частотах у данного типа транзисторов увеличиваются потери.

Также наиболее полно возможности IGBT транзисторов проявляются при рабочем напряжении более 300-400 вольт.

Поэтому биполярные транзисторы с изолированным затвором легче всего обнаружить в высоковольтных и мощных электроприборах, промышленном оборудовании.

» Радиоэлектроника для начинающих » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Источник: https://go-radio.ru/igbt-transistor.html

Проблемы выбора ключевых транзисторов

В статье рассматриваются вопросы выбора полупроводниковых ключевых приборов для преобразовательной техники. Приводится методика быстрого оценочного расчета потерь в инверторах и оценка эффективности применения перспективных транзисторов.За последнее время MOSFET и IGBT-транзисторы надежно зарекомендовали себя в качестве основных ключевых приборов для преобразовательной техники.

В литературе [1-3] достаточно подробно рассматривался вопрос выбора тех или иных приборов в зависимости от величин рабочих частот, токов, напряжений и режимов работы транзисторов. Рис. 1 иллюстрирует общепринятое разграничение областей применения MOSFET и IGBT в жестком режиме переключения исходя из достижимых для коммерческого использования их основных электрических характеристик.

 При напряжениях питания до 250 В и на частотах переключения свыше 100 кГц доминирующую роль играют MOSFET-транзисторы, на частотах до 30 кГц и напряжении 300-1200 В предпочтение отдается IGBT, при этом диапазон 250-800 В при 30-150 кГц оказывается спорным с позиции эффективности использования того или иного прибора.

Это связано с тем, что у IGBT существенную роль начинают играть динамические потери, а у MOSFET — статические, обусловленные слишком большой величиной сопротивления в открытом состоянии.

Еще один важный фактор, влияющий на выбор ключевых приборов, связан со спецификой работы рассматриваемых преобразователей на индуктивную нагрузку и заключается в необходимости установки антипараллельных диодов, характеристики обратного восстановления которых вносят значительный вклад в динамические потери.

За последние годы ведущие производители компонентов для силовой электроники предприняли значительные усилия как по улучшению характеристик традиционных полупроводниковых приборов, так и по разработке новых изделий, позволяющих разработчикам решать проблемы повышения эффективности преобразователей на качественно новом уровне.

Это заставляет пересмотреть традиционные решения вопроса выбора типов ключевых транзисторов.Ниже будут рассмотрены характеристики современных силовых приборов и предложена методика выбора исходя из соотношения «эффективность — стоимость».

Появление в 70-х годах прошлого века высоковольтных полевых транзисторов с вертикальной структурой произвело переворот в схемотехнике и характеристиках источников вторичного электропитания (ИВЭП).

В то же время по статическим потерям MOSFET значительно проигрывали биполярным транзисторам и тиристорам, что ограничивало их применение в мощных преобразователях. Поэтому основные усилия фирм-производителей были направлены на уменьшение величины сопротивления в открытом состоянии и увеличение максимального напряжения «сток — исток».

В 1998 году компания Infineon Technologies представила новый тип MOSFET-транзисторов под торговой маркой CoolMOS с напряжением «сток — исток» в закрытом состоянии 600 и 800 В, в которых удалось снизить сопротивление в открытом состоянии более чем в 5 раз по сравнению с обычными полевыми транзисторами с вертикальной структурой.

Помимо сверхнизких статических потерь транзисторы CoolMOS обеспечивают более высокую, чем у MOSFET, скорость переключения благодаря меньшей площади кристалла и, как следствие, более низкие потери переключения.

Общим недостатком полевых транзисторов с вертикальной структурой является наличие паразитного антипараллельного диода с неудовлетворительными характеристиками обратного восстановления, что очень усложняет их использование в преобразователях с рекуперацией реактивной энергии («жесткое переключение», индуктивная нагрузка, резонансные инверторы [4] и т. п.). Это заставляет производителей разрабатывать технологии, позволяющие улучшить характеристики встроенного диода. Примером может служить семейство транзисторов HiPerFET компании IXYS.Второй подход к решению данной проблемы заключается в блокировке паразитного диода последовательным с транзистором диодом Шоттки и подключении встречно-параллельно диода ULTRAFAST или SiC (рис. 2). Приборы, реализующие этот принцип, выпустила компания Advanced Power Technology. Однако наличие последовательного диода резко увеличивает статические потери по сравнению с одиночным MOSFET.  Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики новых приборов с классификационными напряжениями 600 и 800 В и постоянным током стока до 55 А, изготовленных по различным технологиям. Таблица 1

* Указано сопротивление в открытом состоянии плюс прямое падение напряжения на последовательном блокирующем диоде Шоттки.

  Отмеченные выше недостатки полевых транзисторов заставляли производителей силовых полупроводников искать компромиссное решение, позволяющее объединить достоинства MOSFET и биполярных транзисторов Дарлингтона. В конце 80-х годов прошлого века было создано первое поколение биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), а в начале 90-х — второе и третье поколения. Эти приборы объединили в себе простоту управления затвором полевого и большие коммутируемые токи биполярного транзисторов.  Упрощенно IGBT можно представить как комбинацию биполярного р-п-р-транзистора и MOSFET (рис. 3).Помимо основного р-п-р-транзистора существует паразитная n-р-n-структура, которую делают неактивной путем шунтирования база-эмиттерного перехода слоем металлизации истока. Эти два транзистора образуют четырехслойную р-п-р-п-структуру паразитного тиристора. Суммарное усиление п-р-п- и р-п-р-транзисторов должно быть меньше 1. Однако с повышением температуры их усиление возрастает, поэтому при очень большом токе коллектора из-за локального нагрева их суммарное усиление может превысить 1 и привести к открыванию п-р-п-транзистора. При этом паразитный тиристор отпирается и не реагирует на изменение напряжения на затворе, что может привести к выходу из строя IGBT. Этот эффект называют статическим защелкиванием. Чрезмерно высокие величины dVкэ/dt и dIr/dt при выключении также могут привести к открыванию п-р-п-транзистора. Это эффект динамического защелкивания, который приводит к уменьшению области безопасной работы IGBT и делает ее зависимой от скорости выключения dVкэ/dt.В отличие от MOSFET, у IGBT отсутствует интегральный паразитный обратный диод, что позволяет при необходимости использовать внешний антипараллельный диод ULTRAFAST или SiC.

Структурно IGBT делятся на РТ (punch-through) и NPT (non-punch-through). У РТ-приборов дополнительно имеется п+ буферный слой между р+ подложкой и п- эпитаксиальной областью (рис. 4).

Благодаря его наличию увеличивается скорость рекомбинации дырок, что приводит к увеличению скорости выключения транзистора и уменьшению времени и тока рассасывания, а также усиления р-п-р-транзистора.

У NPT IGBT п+ буферный слой отсутствует, что, с одной стороны, приводит к уменьшению прямого падения напряжения «коллектор — эмиттер», но с другой стороны — увеличивает время рассасывания и, соответственно, потери выключения на высоких частотах.

РТ IGBT, в отличие от более «медленных» NPT-приборов, обладают низкой устойчивостью к короткому замыканию и поглощению большой лавинной энергии.

По скорости переключения РТ IGBT могут сравниваться с мощными MOSFET-транзисторами, поэтому усилия фирм-производителей направлены на снижение прямых потерь проводимости и увеличение устойчивости к dVкэ/dt Современные РТ IGBT, например из производственной линейки PowerMOS7 компании Advanced Power Technology, благодаря технологии снижения толщины п- эпитаксиальной области имеют величину прямого падения напряжения не хуже, чем у NPT-приборов.

В таблице 2 приведены характеристики современных высокоскоростных РТ и NPT IGBT с классификационными напряжениями 600 и 1200 В, постоянным током коллектора до 50 А и антипараллельным диодом (FRD).

Такая задача относится к большой группе аппаратуры, которая включает установки для индукционного нагрева средней мощности (пайка и закалка), источники бесперебойного питания, прецизионные системы управления электродвигателями и т. п.

Выбор того или иного прибора в общем случае определяется конкретными электрическими характеристиками системы в целом. Критерием оптимальности в первом приближении можно считать минимизацию суммарных потерь при заданных параметрах питания и мощности нагрузки при максимально допустимом увеличении стоимости преобразователя.

Для оценки величин потерь в преобразователе, работающем в «жестком» режиме, будем считать, что за время открытого состояния транзистора ток, протекающий через него, остается приблизительно постоянным, скорость нарастания напряжения при выключении определяется величиной tf коэффициент заполнения равен 0,5.Мощности статических потерь определяются выражениями:

• для MOSFET

• для MOSFET по схеме рис. 2

• для IGBT

где Isw — ток, протекающий через транзистор; Usat — прямое падение напряжения на IGBT; Ron — сопротивление MOSFET в открытом состоянии; Ud— прямое падение напряжения блокирующего диода.

Мощность динамических потерь складывается из трех составляющих: «жесткое» переключение при токе (Isw), разряд выходной емкости (С22) транзистора, заряженной до уровня напряжения питания (V0), обратное восстановление антипараллельного диода с зарядом (Qrr), и определяется выражениями:

• для MOSFET
 

• для IGBT

где tr, tf— время нарастания и спада тока через транзистор;fs — частота преобразования; Еtot — суммарная энергия переключения IGBT.

Полные потери:

 В таблице 3 приведены результаты расчетов величин полных потерь для приведенных выше приборов, работающих в преобразователях с V0 = 320 В, Р0 = 5 кВт и V0 = 540 В, Р0= 10 кВт на частоте fs = 100 кГц. Таблица 3
Примечание: цветом выделены приборы, неприемлемые для данного применения.  

На рис. 5,6 показаны зависимости суммарных потерь и КПД мостовых инверторов от частоты переключения и мощности при использовании транзисторов IXFK52N60Q2 (HiPerFET), IRGP50B60PD1 (NPTIGBT+FRD) и модуля APTC60HM70SCT (CoolMOS+SiC). Хорошо видно, что КПД во всех случаях определяется в основном динамическими потерями.

Использование HiPerFET и высокоскоростных NPT IGBT-приборов со встроенными FRD на частотах выше 50 кГц дает приблизительно одинаковый результат.

Выводы, которые можно сделать из приведенных расчетов, вполне ожидаемы: во-первых, паразитные диоды стандартных MOSFET и CoolMOS не могут быть использованы в качестве рекуперационных при работе с «жестким» переключением на индуктивную нагрузку; во-вторых, в рассматриваемом режиме работы частоты переключения современных 1200-вольтовых NPT IGBT не превышают 20-30 кГц, хотя последние позиционируются как ULTRAFAST приборы. В то же время хорошие   результаты   показывают   новые HiPerFET и комбинированные CoolMOS. Вопрос о применении РТ IGBT для жесткого переключения должен решаться в каждом конкретном случае индивидуально, поскольку, как отмечалось выше, они не обладают устойчивостью к поглощению больших величин лавинной энергии. Комбинация CoolMOS и диода Шоттки SiC, как показано на рис. 2, фактически является идеальной альтернативой IGBT для высоких частот переключения. Особенно перспективно, по мнению автора, использование готовых полумостовых и мое-товых модулей, в которых уже решены проблемы получения низких тепловых сопротивлений, электрической изоляции кристаллов и оптимизации конструкции с целью сниже ния паразитных реактивностей. При этом реальная стоимость мостового инвертора в виде модуля CoolMOS+SiC и собранного на дискретных HiPerFET-транзисторах с учетом конструктивных затрат практически одинакова.

Таким образом, возвращаясь к вопросу о применимости IGBT или MOSFET в спорном диапазоне рабочих напряжений и частот (рис. 1), можно с уверенностью сказать, что в ближайшие несколько лет ответ на него будет в пользу последних.

Александр Полищук hvl-alex@rambler.ru 1. C. Blake, C. Bull. IGBT or MOSFET: Choose Wisely. International Rectifier. 1989.2. A. Dubhashi, B. Pelly. IGBT vs HEXFET Power MOSFETs For Variable Frequency Motor Drives. International Rectifier. 1987. AN-980.3. J. Dodge. Latest Technology PT IGBTs vs. Power MOSFETs. Advanced Power Technology. PCIM China. 2003.4. L. Lorenz, G. Deboy, A. Knapp, M. Marz. CoolMOS — a new milestone in high voltage power MOS // Proc. of the ISPSD, 99–102. 1999.5. H. Kim, Tomas M. Jahns, G. Venkataramanan. Minimization of Reverse Recovery Effects in Hard-Switched Inverters using CoolMOS Power Switches // IEEE IAS Annual Meeting. 2001.

Основы компоновки и трассировки плат импульсных источников питания
В статье приводятся советы и рекомендации по созданию проводящего рисунка цепей питания и заземления при проектировании печатных плат, рассматриваются особенности соединения «звездой» для силовых линий питания и земли, а также многочастотной развязки этих цепей. Кроме того, в статье демонстрируется, как, меняя расположение компонентов, можно уменьшить петлю протекания мощных высокочастотных токов.

Page 3

Источник: http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1503

IGBT и MOSFET 2019

Биполярные транзисторы были единственным реальным силовым транзистором, используемым до тех пор, пока в начале 1970-х годов не появились очень эффективные МОП-транзисторы. BJT прошли важные улучшения своих электрических характеристик с момента его создания в конце 1947 года и по-прежнему широко используются в электронных схемах.

Биполярные транзисторы имеют относительно медленные характеристики выключения, и они имеют отрицательный температурный коэффициент, который может привести к вторичному пробою. Однако МОП-транзисторы являются устройствами, которые управляются напряжением, а не управляются по току.

У них есть положительный температурный коэффициент для сопротивления, который останавливает тепловое убегание и, как следствие, вторичного пробоя не происходит. Затем в конце 1980-х годов появились изображения IGBT.

IGBT – это в основном крест между биполярными транзисторами и МОП-транзисторами, а также управляемыми напряжением, такими как МОП-транзисторы. В этой статье рассматриваются некоторые ключевые моменты, сравнивающие два устройства.

Что такое MOSFET?

MOSFET, сокращенный для «транзистора с полевым эффектом на основе оксида металла», представляет собой особый тип полевого транзистора, широко используемого в очень крупных интегральных схемах благодаря своей сложной структуре и большому входному импедансу.

Это четырехполюсное полупроводниковое устройство, которое управляет как аналоговыми, так и цифровыми сигналами. Затвор расположен между источником и дренажем и изолирован тонким слоем оксида металла, который предотвращает протекание тока между затвором и каналом.

Технология теперь используется во всех видах полупроводниковых приборов для усиления слабых сигналов.

Что такое IGBT?

IGBT, означает «биполярный транзистор с изоляцией», представляет собой трехполюсное полупроводниковое устройство, которое сочетает в себе токопроводящую способность биполярного транзистора с легкостью управления работой МОП-транзистора.

Они являются относительно новым устройством в силовой электронике, обычно используемой в качестве электронного коммутатора в широком диапазоне применений, от приложений средней и сверхвысокой мощности, таких как источники питания с переключаемым режимом (SMPS).

Его структура почти идентична структуре MOSFET, за исключением дополнительной подложки p под n подложкой.

IGBT означает биполярный транзистор с изоляцией, в то время как MOSFET является коротким для транзистора с полевым эффектом на основе оксида металла.

Несмотря на то, что оба являются полупроводниковыми устройствами с контролируемым напряжением, которые лучше всего работают в приложениях источника питания с коммутационным режимом (SMPS), IGBT сочетают возможности многопоточной обработки биполярных транзисторов с легкостью управления полевыми МОП-транзисторами.

IGBT являются привратниками тока, которые сочетают преимущества BJT и MOSFET для использования в цепях питания и управления двигателем. MOSFET – это особый тип полевого транзистора, в котором приложенное напряжение определяет проводимость устройства.

IGBT – это, по сути, MOSFET-устройство, которое управляет транзистором с биполярным соединением с двумя транзисторами, встроенными в один кусок кремния, тогда как МОП-транзистор является наиболее распространенным изоляционным полевым транзистором, чаще всего изготавливаемым контролируемым окислением кремния. МОП-транзистор обычно работает путем электронного изменения ширины канала под напряжением на электроде, называемом затвором, который расположен между источником и дренажем и изолирован тонким слоем оксида кремния. MOSFET может функционировать двумя способами: режимом истощения и режимом Enhancement.

IGBT – это биполярное устройство с контролируемым напряжением с высоким входным импедансом и большой емкостной способностью биполярного транзистора. Их можно легко контролировать по сравнению с текущими управляемыми устройствами в высокоточных приложениях.

MOSFET требуют почти никакого входного тока для управления током нагрузки, который делает их более резистивными на клемме затвора, благодаря изолирующему слою между затвором и каналом. Слой выполнен из оксида кремния, который является одним из лучших используемых изоляторов.

Он эффективно блокирует приложенное напряжение, за исключением небольшого тока утечки.

Дополнительный силиконовый изолятор уменьшает емкость затвора, что делает его уязвимым для очень высоких пиков напряжения, неизбежно повреждающих внутренние компоненты. МОП-транзисторы очень чувствительны к ОУР.

IGBT третьего поколения сочетает в себе характеристики привода напряжения MOSFET с низкой способностью к сопротивлению биполярного транзистора, что делает их чрезвычайно устойчивыми к перегрузкам и скачкам напряжения.

1. Хотя IGBT и MOSFET являются полупроводниковыми устройствами с контролируемым напряжением, которые в основном используются для усиления слабых сигналов, IGBT сочетают низкую сопротивляемость биполярному транзистору с характеристиками привода напряжения MOSFET.

   С распространением выбора между этими двумя устройствами становится все труднее выбирать лучшее устройство, основанное только на их приложениях.

   MOSFET – это четырехконтактное полупроводниковое устройство, в то время как IGBT – это трехконечное устройство, которое представляет собой крест между биполярным транзистором и МОП-транзистором, что делает их чрезвычайно толерантными к электростатическому разряду и перегрузкам.

Источник: https://ru.esdifferent.com/difference-between-igbt-and-mosfet