MOSFET vs. IGBT

Ve světě energetické elektroniky je výběr správného polovodičového zařízení velmi důležité pro zlepšení výkonu, účinnosti a spolehlivosti elektronických systémů.Dvě populární možnosti jsou silikonové izolované brány bipolární tranzistory (SI IGBT) a křemíkový karbid kov-oxid-polovodičový tranzistory (SIC MOSFETS).Každé z těchto zařízení má jedinečné funkce a výhody, díky čemuž jsou vhodné pro různá použití.Tento článek vysvětlí hlavní rozdíly mezi SI IGBTS a SIC MOSFETS, diskutovat o jejich charakteristikách, výhod, nevýhodách a o tom, jak ovlivňují technologii střídače, zejména v motorových pohonných systémech.Pochopením těchto rozdílů mohou inženýři a designéři učinit lepší rozhodnutí ke zlepšení svých projektů elektroniky.

Katalog

Obrázek 1: MOSFET vs. IGBT

Porozumění SI IGBTS a SIC MOSFETS

SIC MOSFETS

Křehský karbid kovo-oxid-semiconductor Transistors (SIC MOSFETS) pracuje ovládáním napětí aplikovaného na jejich bránu.Jednou z hlavních výhod SIC MOSFET je jejich silná odolnost vůči tepelnému útěku, což je stav, kdy zvýšení teploty vede k dalšímu zvyšování teploty, což potenciálně způsobuje selhání zařízení.Tento odpor je z velké části způsoben lepší tepelnou vodivostí karbidu křemíku (SIC) ve srovnání s běžným křemíkem.Vysoká tepelná vodivost SIC zajišťuje účinné rozptyl tepla na úrovni zařízení a udržuje stabilní provozní teploty i za podmínek s vysokým výkonem.

Tato schopnost správy tepla je velmi důležitá v prostředích s vysokými teplotami, jako jsou ty, které se nacházejí v automobilech a průmyslovém prostředí.V těchto situacích je spolehlivost a účinnost elektronických částí velmi důležitá a SIC MOSFETS poskytuje silné řešení.Jejich schopnost udržovat výkon a zabránit přehřátí za těžkých podmínek je velmi žádoucí pro energetickou elektroniku, kde je řízení tepla velkým problémem.

Si igbts

Silikonem izolované brankové bipolární tranzistory (SI IGBT) jsou polovodičová zařízení řízená proudem, která fungují pomocí proudu na terminál brány.Tyto tranzistory se běžně používají v aplikacích, které převádějí přímý proud (DC) na střídavý proud (AC), zejména v motorových jednotkách.Přitažlivost SI IGBTS je jejich schopnost efektivně zvládnout vysoké proudy.Nabízejí také rychlé přepínací rychlosti, což je velmi důležité pro aplikace vyžadující rychlou a přesnou kontrolu napájení.

Pokud jde o elektrické charakteristiky, mají SI IGBT vysoké hodnocení napětí, což jim umožňuje bezpečně pracovat za podmínek vysokého napětí.Při provádění proudu mají také nízký pokles napětí napříč zařízením, což vede k nižším ztrátám výkonu a lepší účinnosti.Kromě toho mají SI IGBTS nízké ztráty vodivosti, což znamená, že při stavu tranzistoru využívají menší sílu, což zlepšuje celkový výkon systému.

Díky těmto vlastnostem je SI IGBTS zvláště vhodné pro vysoce výkonné motorové aplikace, jako jsou například ve výrobních systémech.Jejich silný výkon v těchto tvrdých prostředích je způsoben jejich schopností efektivně přepínat velké proudy a napětí, což z nich činí cenově dostupnou a spolehlivou volbu pro ovládání vysoce výkonných motorů.

Střídače a jejich dopad na motorové pohonné systémy

Obrázek 2: Stříveče a jejich dopad na systémy pohonných motorů

V aplikacích motorových pohonů hrají střídače hlavní roli při změně přímého proudu (DC) z bateriových systémů na střídavý proud (AC), který musí elektrické motory spustit.Tato změna je velmi nezbytná pro elektrická vozidla, kde velké baterie poskytují potřebnou energii DC.Střídače zpracovávají mnoho důležitých částí motorického výkonu, včetně rychlosti, točivého momentu, energie a účinnosti.Pomáhají také s regenerativním brzdění, což je funkce, která zachycuje energii během brzdění a posílá ji zpět do baterie, čímž se celý systém zvyšuje energeticky účinnější.

Typ použitého střídače výrazně ovlivňuje, jak dobře funguje systém pohonu motoru.Historicky byly široce používány dva typy střídačů: křemíkově izolované brány bipolární tranzistory (SI IGBT) a křemíkový karbid kov-oxid-semiconductor-effect-efekt tranzistory (SIC MOSFETS).

SI IGBT byly standardní volbou, protože jsou spolehlivé a výrobní procesy pro ně jsou dobře zavedeny.SIC MOSFETS jsou však stále populárnější, protože fungují lépe.SIC MOSFETS mají nižší ztráty přepínání, lepší tepelnou vodivost a mohou pracovat na vyšších frekvencích a teplotách ve srovnání s SI IGBT.Tyto výhody vedou k lepší účinnosti, menšímu potřebě chlazení a schopnosti navrhovat menší a lehčí motorové pohonné systémy.

Nejprve vysoké náklady na SIC MOSFETS omezily jejich použití na špičkové nebo speciální aplikace.Zlepšení ve výrobních technologiích a hromadné výrobě však výrazně snížila náklady na zařízení SIC, což z nich činí praktickou a atraktivní možnost pro širší škálu aplikací motorových pohonů.Toto snižování nákladů spolu s jejich výhodou vedlo k většímu využívání SIC MOSFET v různých průmyslových odvětvích, včetně automobilového průmyslového, průmyslového automatizace a odvětví obnovitelné energie.

Výhody a nevýhody SI IGBTS a SIC MOSFETS

SI IGBTS (křemíkové izolované brány bipolární tranzistory)

Silikonové izolované brány bipolární tranzistory (SI IGBT) se široce používají ve vysoce výkonných aplikacích kvůli jejich silným výkonnostním vlastnostem.Zde je podrobný pohled na jejich výhody a nevýhody:

• Výhody SI IGBTS

Zvládne velké proudy dobře: SI IGBT jsou velmi dobré při efektivní správě velkých proudů.Díky tomu jsou dobrou volbou pro aplikace, které potřebují zvládnout velké zátěže, jako jsou průmyslové stroje a elektrická vozidla.

Rychlá rychlost přepínání: SI IGBTS se může rychle zapnout a vypnout, což zlepšuje jejich výkon v systémech, které vyžadují rychlé změny v současném toku.Tato schopnost rychlého přepínání je užitečná pro aplikace, které vyžadují rychlé změny, což vede k lepší citlivosti a výkonu.

Nízké náklady: Proces výroby pro SI IGBT je zralý a dobře zavedený, což má za následek nižší výrobní náklady.Díky této výhodě je výběr společnosti SI IGBT pro mnoho vysoce výkonných aplikací, čímž se zvyšuje celkové výdaje na systém.

Dokáže zvládnout vysoké napětí: SI IGBTS vydrží vysoké napětí, takže je vhodnými pro aplikace, které pracují při vysokých úrovních napětí.Tato schopnost je zvláště užitečná při systémech přenosu a distribuce výkonu, kde je zapotřebí vytrvalosti s vysokým napětím.

Nízká ztráta energie: Při provádění proudu mají SI IGBTS minimální ztráty napětí a ztráty vodivosti.Tato účinnost se promítá do snížené ztráty energie a zlepšení celkového výkonu systému, což je dobré pro udržení vysoké účinnosti v aplikacích citlivých na energii.

• Nevýhody SI IGBTS

Náchylný k přehřátí: Ve vysoce výkonných aplikacích, jako jsou aplikace v elektrických vozidlech nebo průmyslových systémech, mohou SI IGBT přehřát.Toto přehřátí může vést k tepelnému útěku, což je stav, kdy stoupající teplota způsobuje další zvyšování teploty, což potenciálně vede k selhání zařízení.Toto riziko tepelných problémů představuje spolehlivost ve vysoce výkonných situacích.

Pomalejší doba vypnutí: Ve srovnání s některými novějšími polovodičovými zařízeními, SI IGBT trvá déle, než se vypne.Toto pomalejší vypnutí může omezit jejich účinnost v aplikacích, které vyžadují velmi rychlé přepínání, jako jsou vysokofrekvenční střídače nebo pokročilé systémy řízení motoru.Pomalejší doba vypnutí může vést ke zvýšeným přepínacím ztrátám a ke snížení celkové účinnosti v takových aplikacích.

SIC MOSFETS (křemíkový karbid kov-oxid-Semiconductor Transistors)

V aplikacích motorových pohonů výběr mezi křemíkovými izolovanými bipolárními tranzistory (SI IGBTS) a křemíkovým karbidem kovově-oxidem-semiconductorem polním efektem (SIC MOSFETS) výrazně ovlivňuje výkon a účinnost systému.Porozumění výhodám a nevýhodám SIC MOSFETS pomáhá vysvětlit, proč se navzdory některým výzvám stávají populární volbou v mnoha vysoce výkonných aplikacích.

• Výhody SIC MOSFETS

Vyšší účinnost: SIC MOSFETS mají nižší ztráty vedení a přepínání ve srovnání s Si IGBT.Tato zlepšená účinnost snižuje spotřebu energie a zvyšuje celkový výkon motorového pohonného systému.Nižší ztráty znamenají méně energie jako teplo, což vede k účinnějšímu využití energie.

Lepší správa tepla: Karbid křemíku vede teplo lépe než křemík.To umožňuje SIC MOSFETS efektivněji zpracovávat teplo a udržovat jejich výkon a spolehlivost i za podmínek vysokých sil.Lepší správa tepla snižuje potřebu rozsáhlých chladicích systémů, což usnadňuje návrh nákladů.

Rychlejší přepínání: SIC MOSFETS mohou pracovat na mnohem vyšších přepínacích frekvencích než SI IGBT.Rychlejší přepínání umožňuje přesnější kontrolu motoru a může zlepšit výkon v aplikacích, které vyžadují rychlé přepínání.To je užitečné zejména při řízení elektrických vozidel a průmyslového řízení motoru, kde je velmi důležitá účinnost a časy rychlé odezvy.

Vyšší manipulace s napětí: SIC MOSFETS mohou spravovat vyšší napětí než SI IGBT, což je činí vhodnými pro aplikace s vysokým napětím.Tato tolerance vyššího napětí je užitečná v rozhraní sítě a průmyslových jednotek s vysokou výkonem, kde je zapotřebí silné manipulace s napětím.

Menší velikost: Vzhledem k jejich lepší účinnosti a tepelným vlastnostem lze SIC MOSFETS zmenšit než jejich protějšky z křemíku.Tato redukce velikosti je vhodná pro vytváření kompaktnějších a lehčích systémů, které jsou zvláště cenné v aplikacích, jako jsou elektrická vozidla, kde je velmi důležité úspory prostoru a hmotnosti.

• Nevýhody SIC MOSFETS

Vyšší náklady: Vytváření SIC MOSFETS je složitější a dražší než výroba SI IGBT.Tyto vyšší výrobní náklady vede k vyšší kupní ceně, což může být bariérou, zejména v aplikacích citlivých na náklady.Jak se však výroba zlepšuje a vytváří větší množství, tyto náklady se postupně snižují.

Omezené použití trhu: Jako novější technologie SIC MOSFETS ještě nebyla přijata tak široce jako Si IGBTS.Toto omezené použití může mít za následek méně dostupných komponent a menší podporu, což ztěžuje inženýry najít díly a získat technickou pomoc.V průběhu času, jak se technologie SIC stává běžnější, se očekává, že se toto omezení sníží.

Složité potřeby jednotky: SIC MOSFETS často potřebuje pokročilejší obvody pohonu ve srovnání s Si IGBTS.Složitost této pohonné obvody může komplikovat celkový návrh systému a možná zvýšit náklady na vývoj.Inženýři musí pečlivě navrhnout a implementovat tyto obvody, aby plně využili technologii SIC.

Vylepšená technologie střídače s SIC MOSFETS

Obrázek 3: Porovnání roztoku SI roztoku SI vs. SIC pro motorové střídače

Silicon Carbide MOSFETS (SIC MOSFETS) má výrazně vylepšenou technologii střídače v motorových systémech pohonu a nabízí mnoho výhod oproti silikonovým izolovaným bipolárním tranzistorům (SI IGBT).SIC MOSFETS může pracovat při mnohem vyšších přepínacích rychlostech díky nižších ztrátám přepínání, což umožňuje přesnější kontrolu rychlosti motoru a točivého momentu.Rovněž manipulují také s teplem, což znamená, že se efektivněji zbavují tepla a snižují potřebu velkých chladicích systémů.To vede k menším a lehčím invertorovým návrhům, které jsou zvláště dobré pro elektrická vozidla.

SIC MOSFETS může také pracovat při vyšších teplotách a zvyšovat spolehlivost a životnost motorových systémů v těžkých podmínkách.Zatímco si IGBTS mohou být stále používány v levnějších aplikacích nebo kde jsou vysoké rychlosti přepínání a řízení tepla menší obavy, účinnost, lepší manipulace s teplem a vyšší výkon SIC MOSFETS je činí ideální pro vysoce výkonné a spolehlivé aplikace motorového pohonu.včetně elektrických vozidel a průmyslové automatizace.

Hlavní rozdíly mezi IGBT a MOSFETS

Parametr	IGBT	MOSFET
Rozsah napětí	600V až 6500 V (běžné aplikace s vysokým napětím)	20V až 1000 V (běžné aplikace s nízkým až středním napětím)
Typické aplikace	Vysoké napětí, aplikace s vysokým proudem, např. Power mřížky, průmyslové motory a střídače	Nízké až středně napěťové aplikace, např. Napájecí zdroje, zvuk zesilovače a řadiče motorů
Pokles na napětí ve stavu (VCE nebo PROTIDs)	Vyšší pokles napětí, obvykle 2V až 4V	Nižší pokles napětí, obvykle 0,1 V na 1v
Rychlost přepínání	Pomalejší rychlost přepínání (vhodnější pro nižší frekvenci Aplikace)	Rychlejší rychlost přepínání (vhodnější pro vysokofrekvenční aplikace)
Ztráty vedení	Vyšší kvůli bipolární povaze a vyššímu poklesu napětí	Nižší kvůli unipolární povaze a nižším poklesu napětí
Přepínání ztrát	Vyšší kvůli pomalejší rychlosti přepínání	Nižší kvůli rychlejší rychlosti přepínání
Tepelná stabilita	Lepší tepelný výkon při vyšších úrovních výkonu	Omezený tepelný výkon ve srovnání s IGBT
Kontrolní složitost	Snadnější požadavky na bránu, obvykle kontrolované napětí	Obvykle vyžaduje složitější obvody aktuální kontrolovaný
Drsnost	Obecně lepší zkratovací odolací schopnost	Obvykle snižují schopnost spodního zkratu
Náklady	Obecně vyšší pro ekvivalentní hodnocení napětí	Obecně nižší pro ekvivalentní hodnocení napětí

Typ zařízení

Obrázek 4: Typ zařízení - Srovnání symbolů MOSFET a IGBT

IGBTS (izolované bipolární tranzistory brány) jsou směsí MOSFET (tranzistory pole-semiconductor-oxid-oxid-semiconductor) a bipolárních tranzistorů.Mají bránu kontrolovanou napětí jako MOSFETS, což usnadňuje přepínání.Mají také bipolární schopnost přenášení proudu, což jim umožňuje zvládnout vysoké úrovně výkonu.Naproti tomu MOSFETS jsou pouze tranzistory řízené napětí.Tok proudu mezi jejich zdrojovým a odtokovým terminály je řízen napětím naneseným na bránu.

Hodnocení napětí

Obrázek 5: Napětí odtoku/sběratele Vs.Aktuální pro MOSFET a IGBT

Pro hodnocení napětí jsou IGBT lepší pro využití vysokých napětí, od stovek do tisíců voltů.Díky tomu jsou vhodné pro vysoce výkonné aplikace, jako jsou motorové jednotky a střídače napájení.MOSFETS se obvykle používají v aplikacích s nižším až středním napětím, od desítek po stovky voltů, které jsou běžné v elektronických přepínacích obvodech a regulátorech napětí.

Aktuální manipulace

Obrázek 6: Charakteristiky VD-ID při 25 ° C a 150 ° C pro MOSFET a IGBT

Pokud jde o aktuální manipulaci, IGBT jsou skvělé pro vysoce aktuální aplikace kvůli jejich bipolárním přenosu proudu.Díky tomu jsou užitečnými ve vysoce výkonných nastaveních.MOSFETS se však obvykle používají pro nižší až střední aplikace, kde je zapotřebí vysoká účinnost a rychlé přepínání.

Rychlost přepínání

Rychlost přepínání je další velký rozdíl.IGBTS se přepíná pomaleji než MOSFETS, což je v pořádku pro aplikace, kde není nutné rychlé přepínání.Na druhé straně jsou MOSFETS vyrobeny pro vysokofrekvenční použití a nabízejí rychlejší přepínání.Díky tomu jsou vhodné pro aplikace, jako jsou napájecí zdroje a převodníky, které vyžadují rychlé a efektivní přepínání.

Účinnost

Účinnost se liší mezi IGBT a MOSFETS na základě napětí a úrovně proudu.IGBT mají nižší ztráty vedení při vysokých napětích a proudech, což je zefektivňuje ve vysoce výkonných aplikacích.MOSFETS je však efektivnější při nízkých napětích a proudech díky jejich nízké rezistenci a rychlém přepínání.

Aplikace

Obrázek 7: Základní struktura MOSFET Vs.Základní struktura IGBT

Použití těchto zařízení odráží jejich silné stránky.IGBT se běžně používají ve vysoce výkonných situacích, jako jsou motorové jednotky, výkonová měniče a indukční vytápěcí systémy kvůli jejich schopnosti zvládnout vysoké napětí a proud.MOSFET jsou lepší pro aplikace, které upřednostňují rychlé přepínání a účinnost při nižších úrovních výkonu, jako jsou elektronické přepínací obvody a regulátory napětí.

Požadavky na jednotku brány

A konečně, požadavky na bránu se liší mezi IGBT a MOSFETS.IGBT potřebují pozitivní napětí na bráně vzhledem k emitoru a vypnutí snížením napětí brány.MOSFETS však potřebuje pozitivní napětí na bráně vzhledem k zdroji pro zapnutí i vypnutí, takže jejich brána je jednodušší a jednodušší.

Závěr

SI IGBTS i SIC MOSFETS mají jedinečné silné stránky, které vyhovují různým vysoce výkonným aplikacím.SI IGBT jsou skvělé při manipulaci s velkými proudy a vysoké napětí a jsou levnější produkovat, takže jsou spolehlivé pro tradiční použití, jako jsou průmyslové motory a energetické sítě.Mohou se však přehřát a přepínat pomaleji, což může být problém ve vysokorychlostní nebo velmi horkém prostředí.

Na druhé straně, SIC MOSFETS zpracovává teplo lépe, přepínají rychleji a jsou efektivnější, což z nich činí oblíbené pro moderní použití, jako jsou elektrické automobily a vysoce výkonné průmyslové systémy.Přestože nejprve stojí více a potřebují složitější pohonné obvody, neustálá zlepšení technologie SIC tyto problémy snižují, což vede k širšímu používání.

Volba mezi SI IGBTS a SIC MOSFETS závisí na specifických potřebách aplikace, jako je napětí a úroveň proudu, rychlost přepínání a řízení tepla.Použitím silných stránek každého zařízení mohou inženýři navrhovat a vytvářet lepší elektronické systémy, zlepšení a účinnost v různých technologických oblastech.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Který je lepší IGBT nebo MOSFET?

Volba mezi IGBT a MOSFET závisí na tom, pro co ji potřebujete.MOSFETS jsou obecně lepší pro nízko a střední výkon, které vyžadují rychlé přepínání a dobré řízení tepla.Jsou dobré pro věci, jako jsou napájení a řadiče motorů.IGBT jsou naproti tomu lepší pro vysoce výkonné úkoly, protože dokážou zvládnout větší proudy a vyšší napětí, což z nich činí ideální pro průmyslové motory a střídače výkonu.

2. Může IGBT nahradit MOSFET?

Někdy mohou IGBT nahradit MOSFETS, zejména ve vysoce výkonných úkolech, kde je velmi nutná manipulace s velkými proudy a napětí.Protože však IGBTS přepínají pomaleji a zpracovávají teplo jinak, nemusí být dobré pro úkoly, které vyžadují velmi rychlé přepínání a nízkou ztrátu energie, kde jsou Mosfets lepší.

3. Jak zjistím, jestli mám IGBT nebo MOSFET?

Chcete -li zjistit, zda máte IGBT nebo MOSFET, zkontrolujte číslo dílu a podrobnosti od výrobce.DataSheets vám řeknou, zda je zařízení IGBT nebo MOSFET.Mohou vypadat podobně, takže musíte zkontrolovat dokumentaci nebo značení na komponentě.

4. Jaké je nejrychlejší přepínací zařízení IGBT nebo MOSFET?

MOSFETS jsou obecně nejrychleji přepínací zařízení ve srovnání s IGBT.Mohou přepínat mnohem vyšší rychlost, což je činí vhodnými pro úkoly, které vyžadují rychlé přepínání, jako je například v napájecích zdrojích a vysokofrekvenčním střídačům.

5. Jak zjistím, jestli mám IGBT nebo MOSFET?

Můžete zjistit, zda máte IGBT nebo MOSFET při pohledu na značky komponenty a jejich porovnáním s datovými listy nebo detaily výrobce.Tyto dokumenty poskytují podrobné informace o typu polovodičového zařízení, včetně toho, zda se jedná o IGBT nebo MOSFET.