na 2024/07/10 524

MOSFET vs. IGBT

Vo svete energetickej elektroniky je výber správne polovodičové zariadenie veľmi dôležité na zlepšenie výkonu, účinnosti a spoľahlivosti elektronických systémov.Dve populárne možnosti sú bipolárne tranzistory izolované kremíkmi (SI IgBT) a kremíkové karbidové tranzistory s kovovým oxidom-oxidom-oxidom-oxidom (SIC MOSFETS).Každé z týchto zariadení má jedinečné vlastnosti a výhody, vďaka čomu sú vhodné na rôzne použitia.Tento článok vysvetlí hlavné rozdiely medzi SI IGBT a SIC MOSFETS, diskutuje o ich charakteristikách, výhodách, nevýhodách a o tom, ako ovplyvňujú technológiu meniča, najmä v systémoch motorového pohonu.Pochopením týchto rozdielov môžu inžinieri a dizajnéri robiť lepšie rozhodnutia o zlepšení svojich projektov elektronickej elektroniky.

Katalóg

Obrázok 1: MOSFET vs. IGBT

Pochopenie SI IGBT a SIC MOSFETS

SIC MOSFETS

Tranzistory poľa s kremíkovým karbidom-oxidom-oxidom-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid-oxid-oxidové tranzistory (SIC MOSFETS) pracujú riadením napätia aplikovaného na ich terminál brány.Jednou z hlavných výhod SIC MOSFETS je ich silný odpor voči tepelnému úteku, čo je stav, v ktorom zvýšenie teploty vedie k ďalšiemu zvýšeniu teploty, čo potenciálne spôsobuje zlyhanie zariadenia.Táto rezistencia je do značnej miery spôsobená lepšou tepelnou vodivosťou karbidu kremíka (SIC) v porovnaní s pravidelným kremíkom.Vysoká tepelná vodivosť SIC zaisťuje efektívne rozptyl tepla na úrovni zariadenia, pričom udržiava stabilné prevádzkové teploty aj za vysokých výkonových podmienok.

Táto schopnosť zvládať teplo je veľmi dôležitá v prostrediach s vysokými teplotami, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v automobiloch a priemyselnom prostredí.V týchto situáciách sú spoľahlivosť a účinnosť elektronických častí veľmi dôležité a SIC MOSFETS poskytujú silné riešenie.Vďaka ich schopnosti udržiavať výkon a predchádzanie prehriatiu v ťažkých podmienkach ich robí veľmi žiaducimi pre elektroniku, kde je zvládanie tepla veľkým problémom.

Škriatkovia

Bipolárne tranzistory izolované kremíkom (SI IgBT) sú polovodičové zariadenia riadené prúdom, ktoré fungujú pomocou prúdu na terminál brány.Tieto tranzistory sa bežne používajú v aplikáciách, ktoré prevádzajú priamy prúd (DC) na striedavý prúd (AC), najmä v motorických jednotkách.Príťažlivosťou SI IgBT je ich schopnosť efektívne zvládnuť vysoké prúdy.Ponúkajú tiež rýchle rýchlosti prepínania, čo je veľmi dôležité pre aplikácie, ktoré potrebujú rýchle a presné riadenie energie.

Pokiaľ ide o elektrické charakteristiky, SI IgBT majú vysoké napätie, čo im umožňuje bezpečne pracovať za podmienok vysokého napätia.Pri vedení prúdu majú tiež nízky pokles napätia cez zariadenie, čo vedie k nižším stratám energie a lepšej účinnosti.Okrem toho majú SI IGBT nízke straty vodivosti, čo znamená, že využívajú menej energie, keď je tranzistor v stave „na“, čím sa zlepšuje celkový výkon systému.

Vďaka týmto vlastnostiam je SI IGBT špeciálne vhodné pre vysokorýchlostné aplikácie pohonu motorov, ako sú vlastnosti vo výrobných systémoch.Ich silný výkon v týchto tvrdých prostrediach je spôsobený ich schopnosťou efektívne prepínať veľké prúdy a napätie, čo z nich robí cenovo dostupnú a spoľahlivú voľbu pre riadenie vysokorýchlostných motorov.

Meniče a ich vplyv na systémy pohonu motorov

Obrázok 2: Invertory a ich vplyv na systémy pohonu motorov

V aplikáciách motorového pohonu zohrávajú invertory hlavnú úlohu pri zmene priameho prúdu (DC) zo systémov batérií do striedavého prúdu (AC), ktoré musia elektrické motory spustiť.Táto zmena je veľmi potrebná pre elektrické vozidlá, kde veľké batérie poskytujú potrebnú energiu DC.Invertory manipulujú s mnohými dôležitými časťami výkonu motora vrátane rýchlosti, krútiaceho momentu, výkonu a účinnosti.Pomáhajú tiež s regeneratívnym brzdením, čo je vlastnosť, ktorá zachytáva energiu počas brzdenia a odosiela ju späť do batérie, čím sa celý systém zabezpečí energeticky efektívnejšie.

Typ meniča, ktorý sa používa, výrazne ovplyvňuje to, ako dobre funguje systém pohonu motora.Z historického hľadiska sa široko používali dva typy invertorov: bipolárne tranzistory izolované kremíkom (SI IGBT) a tranzistory s kremíkom-oxidom-oxidom kovového oxidu kovu (SIC MOSFETS).

SI IGBT boli štandardnou voľbou, pretože sú spoľahlivé a výrobné procesy pre nich sú dobre zavedené.SIC MOSFETS sa však stávajú populárnejšími, pretože majú lepšie výsledky.SIC MOSFET majú nižšie straty prepínania, lepšiu tepelnú vodivosť a môžu pracovať pri vyšších frekvenciách a teplotách v porovnaní so SI IGBT.Tieto výhody vedú k lepšej účinnosti, menšej potrebe chladenia a schopnosti navrhnúť menšie a ľahšie systémy pohonu motorov.

Najskôr vysoké náklady na SIC MOSFETS obmedzili ich použitie na špičkové alebo špeciálne aplikácie.Vylepšenia vo výrobnej technológii a hromadnej výrobe však výrazne znížili náklady na zariadenia SIC, čo z nich robí praktickú a atraktívnu voľbu pre širšiu škálu aplikácií motorového pohonu.Toto zníženie nákladov, spolu s ich výkonnostnými výhodami, viedlo k väčšiemu využívaniu SIC MOSFET v rôznych odvetviach vrátane automobilového priemyslu, priemyselnej automatizácie a sektorov obnoviteľnej energie.

Výhody a nevýhody SI IGBT a SIC MOSFETS

SI IgBT (bipolárne tranzistory izolované kremíkmi)

Bipolárne tranzistory izolované kremíkom (SI IGBT) sa v dôsledku ich silných výkonnostných vlastností široko používajú vo vysoko výkonných aplikáciách.Tu je podrobný pohľad na ich výhody a nevýhody:

• Výhody Si Igbts

Dobre zvládne veľké prúdy: SI IGBT sú veľmi dobré pri efektívnom riadení veľkých prúdov.To z nich robí dobrú voľbu pre aplikácie, ktoré potrebujú zvládnuť veľké energie, ako sú priemyselné stroje a elektrické vozidlá.

Rýchla rýchlosť prepínania: SI IGBT sa môžu rýchlo zapnúť a vypínať, čo zlepšuje ich výkon v systémoch, ktoré si vyžadujú rýchle zmeny prúdu prúdu.Táto rýchla schopnosť prepínania je užitočná pre aplikácie, ktoré si vyžadujú rýchle zmeny, čo vedie k lepšej citlivosti a výkonu.

Nízke náklady: Výrobný proces pre SI IGBT je zrelý a dobre zavedený, čo vedie k nižším výrobným nákladom.Vďaka tejto nákladovej výhode je spoločnosť SI IGBT pre mnohé vysokorýchlostné aplikácie, ktorá udržuje celkové systémové výdavky znížené.

Zvládne vysoké napätie: SI IGBT vydrží vysoké napätie, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie, ktoré fungujú pri vysokých úrovniach napätia.Táto schopnosť je obzvlášť užitočná v systémoch prenosu a distribúcie energie, kde je potrebná výdrž vysokého napätia.

Nízka strata energie: Pri vykonávaní prúdu majú minimálne pokles poklesu napätia a vodivosti.Táto účinnosť sa premieta do zníženej straty energie a zlepšuje celkový výkon systému, čo je dobré na udržanie vysokej účinnosti v aplikáciách citlivých na energiu.

• Nevýhody Si Igbts

Náchylné na prehriatie: V vysoko výkonných aplikáciách, ako sú aplikácie v elektrických vozidlách alebo priemyselných systémoch, sa môžu SI IGBT prehriať.Toto prehriatie môže viesť k tepelnému úteku, čo je stav, v ktorom stúpajúca teplota spôsobuje ďalšie zvýšenie teploty, čo potenciálne vedie k zlyhaniu zariadenia.Toto riziko tepelných problémov predstavuje v situáciách vysokých síl spoľahlivosť.

Pomalšie časy odvrátenia: V porovnaní s niektorými novšími polovodičovými zariadeniami trvajú SI IGBT dlhšie, kým sa vypnú.Tento pomalší vypnutie môže obmedziť ich účinnosť v aplikáciách, ktoré si vyžadujú veľmi rýchle prepínanie, ako sú vysokofrekvenčné meniče alebo pokročilé systémy riadenia motorov.Pomalší čas vypnutia môže viesť k zvýšeným stratám prepínania a zníženiu celkovej účinnosti v týchto aplikáciách.

SIC MOSFETS (Tranzistory s kremíkovo-oxidom-oxidom-oxidom-oxidom-oxidom kovu)

V aplikáciách motorického pohonu, výber medzi bipolárnymi tranzistormi izolovanými kremíkmi (SI IGBT) a tranzistormi s-oxidu-oxid-oxid-oxidový kremík kremíka (SIC MOSFET) výrazne ovplyvňuje výkon a účinnosť systému.Pochopenie výhod a nevýhod spoločnosti SIC MOSFETS pomáha vysvetliť, prečo sa stávajú populárnou voľbou v mnohých vysoko výkonných aplikáciách napriek niektorým výzvam.

• Výhody SIC MOSFETS

Vyššia účinnosť: SIC MOSFETS majú nižšie vodivé a prepínanie strát v porovnaní so SI IGBT.Zlepšená účinnosť znižuje spotrebu energie a zvyšuje celkový výkon systému pohonu motorov.Nižšie straty znamenajú, že je plytvaná menšou energiou ako teplo, čo vedie k efektívnejšiemu využívaniu energie.

Lepšie riadenie tepla: Karbid kremíka vedie teplo lepšie ako kremík.To umožňuje SIC MOSFETS efektívnejšie zvládnuť teplo, udržiavať ich výkon a spoľahlivosť aj v podmienkach vysokej výkonnosti.Lepšia správa tepla znižuje potrebu rozsiahlych chladiacich systémov, čo zvyšuje jednoduchší dizajn a znižuje náklady.

Rýchlejšie prepínanie: SIC MOSFETS môžu pracovať pri oveľa vyšších frekvenciách prepínania ako SI IGBT.Rýchlejšie prepínanie umožňuje presnejšie riadenie motora a môže zlepšiť výkon v aplikáciách, ktoré si vyžadujú rýchle prepínanie.Toto je užitočné najmä pri jednotkách elektrických vozidiel a priemyselnom riadení motorov, kde sú veľmi dôležité účinnosť a rýchle odozva.

Manipulácia s vyšším napätím: SIC MOSFETS dokáže spravovať vyššie napätie ako SI IGBT, vďaka čomu sú vhodné pre aplikácie s vysokým napätím.Táto vyššia tolerancia napätia je užitočná v rozhraní energie a vysokorýchlostných priemyselných diskov, kde je potrebná silná manipulácia s napätím.

Menšia veľkosť: Kvôli ich lepšej účinnosti a tepelným vlastnostiam môžu byť SIC MOSFETS menšie ako ich náprotivky kremíka.Toto zníženie veľkosti je dobré na vytváranie kompaktnejších a ľahkých systémov, ktoré sú obzvlášť cenné v aplikáciách, ako sú elektrické vozidlá, kde je veľmi dôležitý priestor a hmotnosť úspory.

• Nevýhody SIC MOSFETS

Vyššie náklady: Vytváranie SIC MOSFETS je zložitejšie a drahšie ako výroba Si IGBT.Tieto vyššie výrobné náklady vedú k vyššej kúpnej cene, ktorá môže byť prekážkou, najmä v nákladovo citlivých aplikáciách.Avšak, keď sa zlepšuje výroba a vyrábajú väčšie množstvá, tieto náklady sa postupne znižujú.

Obmedzené využívanie trhu: Ako novšia technológia SIC MOSFET ešte nebola prijatá tak široko ako Si IGBT.Toto obmedzené použitie môže viesť k menšiemu počtu dostupných komponentov a menšej podpore, čo sťažuje inžinierov, aby našli diely a získali technickú pomoc.V priebehu času, keď sa technológia SIC stáva bežnejšou, očakáva sa, že toto obmedzenie sa zníži.

Zložité potreby jazdy: SIC MOSFETS často potrebujú pokročilejšie hnacie obvody v porovnaní so SI IGBT.Zložitosť tohto hnacieho obvodu môže komplikovať celkový návrh systému a pravdepodobne zvýšiť náklady na vývoj.Inžinieri musia starostlivo navrhnúť a implementovať tieto obvody, aby plne využili technológiu SIC.

Vylepšená technológia meniča so SIC MOSFETS

Obrázok 3: Porovnanie roztoku Power Cabinet SI vs. SIC Riešenie pre meniče pohonu motora

Silikónové karbidové MOSFETS (SIC MOSFETS) výrazne vylepšili technológiu meniča v systémoch motorových pohonov a ponúka mnohé výhody oproti bipolárnym tranzistorom brány izolovaných kremíkom (SI IGBT).SIC MOSFET môžu pracovať pri oveľa vyšších rýchlostiach prepínania kvôli ich nižším stratám prepínania, čo umožňuje presnejšie riadenie rýchlosti motora a krútiaceho momentu.Zvládajú tiež teplo lepšie, čo znamená, že sa efektívnejšie zbaviť tepla a znižujú potrebu veľkých chladiacich systémov.To vedie k menším a ľahším návrhom meničov, ktoré sú obzvlášť dobré pre elektrické vozidlá.

SIC MOSFETS môžu tiež pracovať pri vyšších teplotách, čím sa v ťažkých podmienkach zvyšuje spoľahlivosť a životnosť systémov motorových pohonov.Zatiaľ čo SI IGBT sa môžu stále používať v lacnejších aplikáciách alebo v prípade, že vysoké rýchlosti prepínania a správa tepla sú menšie obavy, účinnosť, lepšia manipulácia s tepelným tepla a vyšší výkon SIC MOSFETS ich robia perfektný pre vysoko výkonné a spoľahlivé aplikácie pohonu motora,vrátane elektrických vozidiel a priemyselnej automatizácie.

Hlavné rozdiely medzi IGBT a MOSFETS

Parameter	Igbt	Mosfet
Napätie	600 V až 6500 V (bežné aplikácie vysokého napätia)	20 V až 1 000 V (bežné aplikácie s nízkym a stredným napätím)
Typické aplikácie	Vysoké napätie, vysoko prúdové aplikácie, napr. Power siete, priemyselné motory a meniče	Aplikácie s nízkym a stredným napätím, napr. Napájacie zdroje, zvuk zosilňovače a regulátory motorov
Pokles napätia v štáte (vCEA alebo VložkaDs)	Vysoký pokles napätia, zvyčajne 2V až 4V	Pokles nižšieho napätia, zvyčajne 0,1 V až 1V
Prepínanie rýchlosti	Pomalšia rýchlosť prepínania (vhodnejšia pre nižšiu frekvenciu žiadosti)	Rýchlejšia rýchlosť prepínania (vhodnejšia pre vysokofrekvenčné aplikácie)
Strata vedenia	Vyššie v dôsledku bipolárnej povahy a poklesu vyššieho napätia	Nižšie v dôsledku unipolárnej povahy a poklesu nižšieho napätia
Straty prepínania	Vyššie kvôli pomalšej rýchlosti prepínania	Nižšie kvôli rýchlejšej rýchlosti prepínania
Tepelná stabilita	Lepší tepelný výkon pri vyšších úrovniach energie	Obmedzený tepelný výkon v porovnaní s IGBT
Zložitosť	Ľahšie požiadavky na jednotku brány, zvyčajne riadené napätím	Vyžaduje sa zvyčajne zložitejšie obvody hnacích hnacích hnacích obvodov súčasný
Drsnosť	Všeobecne lepší skrat odoláva schopnosti	Zvyčajne nižšie skrat odoláva schopnosti
Náklady	Všeobecne vyššie pre ekvivalentné hodnotenie napätia	Všeobecne nižšie pre ekvivalentné hodnotenie napätia

Typ zariadenia

Obrázok 4: Typ zariadenia - porovnanie symbolov MOSFET a IGBT

IgBT (izolované bipolárne tranzistory) sú zmesou MOSFET (tranzistory s efektom poľa s kovovým oxidom) a bipolárnych tranzistorov.Majú bránu riadenú napätím, ako je MOSFETS, čo uľahčuje prepínanie.Majú tiež bipolárnu schopnosť prenášajúcu prúd, čo im umožňuje zvládnuť vysoké úrovne energie.Naopak, MOSFET sú iba tranzistory kontrolované napätím.Tok prúdu medzi ich zdrojom a vypúšťacím terminálom je riadený napätím aplikovaným na bránu.

Hodnotenie napätia

Obrázok 5: Odtok/napätie zberateľa Vs.Prúd pre MOSFET a IGBT

Pre hodnotenie napätia sú IGBT lepšie pre vysoké napätie, v rozmedzí od stoviek do tisícov voltov.Vďaka tomu sú vhodné pre vysoko výkonné aplikácie, ako sú motorové jednotky a invertory energie.MOSFET sa zvyčajne používajú v aplikáciách nižších až stredného napätia, od desiatok po stovky voltov, ktoré sú bežné v elektronických spínacích obvodoch a regulátoroch napätia.

Súčasná manipulácia

Obrázok 6: Charakteristiky VD-ID pri 25 ° C a 150 ° C pre MOSFET a IGBT

Pokiaľ ide o súčasné zaobchádzanie, IGBT sú skvelé pre vysoko súčasné aplikácie z dôvodu ich schopnosti prenášania bipolárnych prúdov.Vďaka tomu sú užitočné v nastaveniach s vysokým výkonom.MOSFETS sa však zvyčajne používajú na aplikácie s nižším až stredným prúdom, kde je potrebná vysoká účinnosť a rýchle prepínanie.

Prepínanie rýchlosti

Rýchlosť prepínania je ďalším veľkým rozdielom.IGBTS prepínač pomalší ako MOSFETS, čo je v poriadku pre aplikácie, kde nie je potrebné rýchle prepínanie.Na druhej strane sú MOSFets vyrobené pre vysokofrekvenčné použitie a ponúkajú rýchlejšie rýchlosti prepínania.Vďaka tomu sú vhodné pre aplikácie, ako sú napájacie zdroje a prevodníky, ktoré potrebujú rýchle a efektívne prepínanie.

Účinnosť

Účinnosť sa líši medzi IGBT a MOSFETS na základe úrovní napätia a prúdu.IGBT majú nižšie straty vodivosti pri vysokom napätí a prúdoch, vďaka čomu sú účinnejšie vo vysokorýchlostných aplikáciách.MOSFET sú však účinnejšie pri nízkom napätí a prúdoch kvôli ich nízkym odporom a rýchlym prepínaním.

Žiadosti

Obrázok 7: Základná štruktúra MOSFET Vs.IGBT základná štruktúra

Použitie týchto zariadení odráža ich silné stránky.IGBT sa bežne používajú v vysokorýchlostných situáciách, ako sú motorické jednotky, invertory energie a indukčné vykurovacie systémy kvôli ich schopnosti zvládnuť vysoké napätie a prúd.MOSFET sú lepšie pre aplikácie, ktoré uprednostňujú rýchle prepínanie a účinnosť pri nižších úrovniach výkonu, ako sú elektronické spínacie obvody a regulátory napätia.

Požiadavky na bránu

Nakoniec sa požiadavky na bránu líšia medzi IGBT a MOSFETS.IGBT potrebujú na bráne pozitívne napätie vzhľadom na emitor, aby sa zapli, a vypnutie znížením napätia brány.MOSFET však potrebujú pozitívne napätie na bráne v porovnaní so zdrojom na zapínanie a vypínanie, čo zjednoduší a jednoduchšia pohon brány.

Záver

SI IgBT aj SIC MOSFET majú jedinečné silné stránky, ktoré vyhovujú rôznym vysoko výkonným aplikáciám.SI IGBT sú skvelé pri manipulácii s veľkými prúdmi a vysokým napätím a sú lacnejšie, čo ich robí spoľahlivými pre tradičné použitie, ako sú priemyselné motory a elektrické siete.Môžu však prehriať a prepínať pomalšie, čo môže byť problémom vo vysokorýchlostných alebo veľmi horúcom prostredí.

Na druhej strane, SIC MOSFETS zvláda teplo lepšie, rýchlejšie prepínanie a efektívnejšie, vďaka čomu sú obľúbené pre moderné použitie, ako sú elektrické autá a vysokovýkonné priemyselné systémy.Aj keď na prvý pohľad stoja a potrebujú zložitejšie hnacie obvody, neustále zlepšovanie technológie SIC tieto problémy znižujú, čo vedie k širšiemu využívaniu.

Výber medzi Si IgBT a SIC MOSFETS závisí od špecifických potrieb aplikácie, ako sú napätie a úrovne prúdu, rýchlosť prepínania a správa tepla.Použitím silných stránok každého zariadenia môžu inžinieri navrhovať a vytvárať lepšie elektronické systémy, vylepšenia jazdy a efektívnosť v rôznych technologických oblastiach.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Čo je lepšie IGBT alebo MOSFET?

Výber medzi IGBT a MOSFET závisí od toho, na čo ju potrebujete.MOSFET sú vo všeobecnosti lepšie pre úlohy s nízkym a stredným výkonom, ktoré si vyžadujú rýchle rýchlosti prepínania a dobrú správu tepla.Sú dobré pre veci, ako sú napájacie zdroje a regulátory motorov.Na druhej strane sú IGBT lepšie pre úlohy vysokých výkonov, pretože dokážu zvládnuť väčšie prúdy a vyššie napätie, vďaka čomu sú ideálne pre priemyselné motory a invertory energie.

2. Môže IGBT nahradiť MOSFET?

Niekedy môžu IGBT nahradiť MOSFETS, najmä pri vysoko výkonných úlohách, kde je veľmi potrebná manipulácia s veľkými prúdmi a napätím.Pretože však IGBT vypína pomalšie a manipulujú s teplom inak, nemusia byť dobré pre úlohy, ktoré potrebujú veľmi rýchle prepínanie a nízke straty energie, kde sú MOSFET lepšie.

3. Ako zistím, či mám IGBT alebo MOSFET?

Ak chcete zistiť, či máte IGBT alebo MOSFET, skontrolujte číslo dielu a podrobnosti od výrobcu.Datashety vám povie, či je zariadenie IGBT alebo MOSFET.Môžu vyzerať podobne, takže musíte skontrolovať dokumentáciu alebo označovanie komponentu.

4. Ktorý je najrýchlejšie spínacie zariadenie IGBT alebo MOSFET?

MOSFET sú vo všeobecnosti najrýchlejšími prepínajúcimi zariadeniami v porovnaní s IGBT.Môžu prepínať oveľa vyššími rýchlosťami, vďaka čomu sú vhodné pre úlohy, ktoré potrebujú rýchle prepínanie, napríklad v zdrojoch energie a vysokofrekvenčných meničov.

5. Ako zistím, či mám IGBT alebo MOSFET?

Dozviete sa, či máte IGBT alebo MOSFET, keď sa pozriete na značky komponentu a porovnávate ich s údajmi alebo detailmi výrobcu.Tieto dokumenty poskytujú podrobné informácie o type polovodičového zariadenia vrátane toho, či ide o IGBT alebo MOSFET.