Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) и IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) -- два основных типа силовых транзисторов, применяемых в современной силовой электронике. Несмотря на внешнее сходство (оба устройства управляются напряжением на затворе), их физика работы и, как следствие, области применения принципиально различаются.
Силовой MOSFET является униполярным прибором: проводимость канала обеспечивается носителями заряда только одного типа (электронами в n-канальных структурах). Это определяет его ключевое преимущество -- отсутствие хвостового тока (tail current) при выключении и, как следствие, высокую скорость коммутации. Однако сопротивление открытого канала RDS(on) резко возрастает с увеличением рабочего напряжения (пропорционально VBR2.5), что ограничивает эффективность Si MOSFET в высоковольтных приложениях.
MOSFET содержит встроенный обратный (паразитный) диод -- body diode, образованный p-n-переходом между телом и стоком. Это важно для топологий с обратным протеканием тока (мостовые схемы, синхронное выпрямление).
IGBT объединяет полевое управление (затвор MOSFET) с токопроводящей структурой биполярного транзистора. Благодаря инжекции неосновных носителей (модуляция проводимости) IGBT обеспечивает низкое напряжение насыщения VCE(sat) даже при высоких напряжениях пробоя. Это делает IGBT значительно более эффективным, чем Si MOSFET, в диапазоне напряжений выше 400-600 В.
Обратная сторона биполярной природы -- хвостовой ток при выключении: неосновные носители должны рекомбинировать, что увеличивает время выключения и коммутационные потери. IGBT не имеет встроенного обратного диода; при необходимости обратного протекания тока требуется внешний антипараллельный диод (как правило, быстровосстанавливающийся -- FRD).
MOSFET: Pcond = ID2 * RDS(on)
RDS(on) -- сопротивление открытого канала. Зависит от напряжения пробоя, температуры (растёт с нагревом) и тока. Для Si MOSFET с VBR = 600 В типичные значения RDS(on) составляют десятки-сотни мОм.
IGBT: Pcond = VCE(sat) * IC
VCE(sat) -- напряжение насыщения коллектор-эмиттер. Типичные значения 1,2-3,5 В, слабо зависит от тока в рабочем диапазоне. При больших токах потери IGBT ниже, чем у MOSFET аналогичного напряжения.
Коммутационные потери возникают в моменты переключения транзистора (включение и выключение), когда через прибор одновременно протекает ток и приложено напряжение.
Psw = (Eon + Eoff) * fsw
где Eon, Eoff -- энергия потерь при включении и выключении (Дж); fsw -- частота коммутации (Гц).
MOSFET: коммутационные потери определяются зарядом затвора Qg и ёмкостями (Ciss, Coss, Crss). Время переключения -- единицы-десятки наносекунд. При увеличении частоты потери растут линейно.
IGBT: наличие хвостового тока при выключении существенно увеличивает Eoff. При повышении частоты выше 20-50 кГц коммутационные потери IGBT начинают доминировать и делают прибор неэффективным.
Si MOSFET является предпочтительным выбором для приложений, где требуется высокая частота коммутации и рабочее напряжение не превышает 250-650 В:
Импульсные источники питания (SMPS) -- AC-DC и DC-DC преобразователи для телекоммуникаций, серверов, бытовой электроники. Частоты коммутации 100-500 кГц и выше позволяют минимизировать размеры магнитных компонентов и конденсаторов.
DC-DC преобразователи -- понижающие (buck), повышающие (boost), мостовые топологии. Синхронное выпрямление (замена диода вторичной обмотки на MOSFET) -- здесь критична низкая RDS(on) и наличие body diode.
LED-драйверы, зарядные устройства, автомобильная электроника (12/48 В) -- приложения с напряжениями до 100-200 В и умеренными токами.
Резонансные преобразователи (LLC, PFC) -- топологии с мягкой коммутацией (ZVS), где MOSFET максимально реализует своё преимущество в скорости переключения.
IGBT является стандартным решением для приложений с высоким напряжением (600-6500 В), большими токами и умеренной частотой коммутации (до 20-50 кГц):
Преобразователи частоты (ПЧ) для электроприводов -- основное приложение IGBT. Напряжение шины 540-1100 В DC, токи до сотен-тысяч ампер, частота ШИМ 2-16 кГц.
Сварочные инверторы -- работа при напряжениях 400-600 В DC с токами до 200-500 А. Частота коммутации 20-50 кГц.
Тяговые преобразователи -- железнодорожный и городской электротранспорт. Напряжение до 3300-6500 В, токи до тысяч ампер.
Инверторы для возобновляемой энергетики -- сетевые PV-инверторы и ветроэнергетические преобразователи мощностью от десятков кВт до мегаватт.
Источники бесперебойного питания (ИБП) -- однофазные и трёхфазные ИБП средней и большой мощности.
Индукционный нагрев -- мягкая коммутация (ZVS/ZCS) при напряжениях 600-1800 В. IGBT эффективен благодаря низким потерям в режиме мягкой коммутации.
Карбид-кремниевые (SiC) MOSFET -- относительно новый класс силовых приборов, изменяющий традиционные границы между MOSFET и IGBT. Благодаря свойствам широкозонного полупроводника (ширина запрещённой зоны SiC ~ 3,26 эВ против ~ 1,12 эВ у Si), SiC MOSFET сочетает высокие рабочие напряжения (650-1700 В, разрабатываются до 3300 В) с высокой скоростью коммутации и отсутствием хвостового тока.
Отсутствие хвостового тока -- коммутационные потери при выключении значительно ниже, чем у IGBT. По данным Toshiba, замена IGBT на SiC MOSFET второго поколения в инверторе позволяет снизить общие потери примерно на 40%.
Возможность увеличения частоты коммутации -- при переходе с IGBT (8-16 кГц) на SiC MOSFET (50-100 кГц и выше) уменьшаются размеры пассивных компонентов (дросселей, конденсаторов), что повышает удельную мощность преобразователя.
Лучшие температурные характеристики -- SiC сохраняет работоспособность при температурах перехода до 175-200 градусов (ограничение -- корпус и пайка, а не кристалл).
Встроенный body diode -- в отличие от IGBT, SiC MOSFET имеет встроенный обратный диод, что упрощает схему в мостовых топологиях.
Тяговые инверторы электромобилей (EV) -- увеличение дальности хода за счёт снижения потерь. Зарядные станции для EV (быстрая зарядка). PV-инверторы (фотоэлектрические) -- повышение КПД и уменьшение габаритов. Источники питания серверов и дата-центров. Промышленные преобразователи частоты с повышенными требованиями к КПД.
IGBT -- биполярный прибор с модуляцией проводимости. При выключении неосновные носители заряда (дырки) должны рекомбинировать, что создаёт хвостовой ток (tail current). Этот ток протекает при полном напряжении на приборе, генерируя значительные потери. При увеличении частоты коммутации выше 20-50 кГц суммарные коммутационные потери становятся неприемлемо высокими. MOSFET, как униполярный прибор, не имеет хвостового тока и переключается значительно быстрее.
Прямая замена Si MOSFET на место IGBT в типовом ПЧ (напряжение шины 540 В и выше) обычно неэффективна: RDS(on) кремниевого MOSFET при таких напряжениях слишком высок, и потери проводимости будут значительно больше, чем у IGBT. Однако замена на SiC MOSFET возможна и обоснована: SiC имеет значительно меньшее RDS(on) при тех же напряжениях пробоя и позволяет повысить частоту ШИМ, уменьшить размеры фильтров и увеличить КПД преобразователя.
Body diode -- встроенный паразитный p-n-диод в структуре MOSFET, образованный переходом между телом (p-область) и стоком (n-область). В мостовых схемах (H-мост, полумост) при коммутации индуктивной нагрузки необходим путь для протекания тока в обратном направлении. MOSFET обеспечивает его через body diode без дополнительных компонентов. IGBT не имеет встроенного обратного диода -- при необходимости обратного тока требуется установка внешнего антипараллельного быстровосстанавливающегося диода (FRD), что увеличивает количество компонентов и потери.
SiC MOSFET сочетает высокое рабочее напряжение (650-1700 В) с высокой скоростью коммутации и отсутствием хвостового тока. Это позволяет: снизить общие потери на 30-40% по сравнению с IGBT; увеличить частоту коммутации и уменьшить размеры пассивных компонентов; упростить схему за счёт встроенного body diode. Основное ограничение SiC -- максимальные токи ниже, чем у силовых IGBT-модулей, и более жёсткие требования к драйверу затвора.
Для сварочных инверторов с частотой коммутации 20-50 кГц и напряжением шины 400-560 В DC стандартным решением является IGBT класса 600 В. Его низкое VCE(sat) обеспечивает приемлемые потери проводимости при токах до 200-500 А. SiC MOSFET также применяется в сварочных аппаратах нового поколения, позволяя увеличить частоту коммутации до 80-100 кГц, уменьшить габариты трансформатора и повысить КПД.
У Si MOSFET RDS(on) возрастает с ростом температуры (положительный температурный коэффициент), что увеличивает потери проводимости, но облегчает параллельное включение (токовый баланс). У IGBT VCE(sat) при повышении температуры может как расти, так и снижаться (зависит от рабочей точки), но время выключения и хвостовой ток увеличиваются, что повышает коммутационные потери. SiC MOSFET сохраняет относительно стабильные характеристики при высоких температурах благодаря широкой запрещённой зоне материала.
Потери проводимости MOSFET определяются законом Ома: P = I2 * RDS(on), то есть растут пропорционально квадрату тока. Потери проводимости IGBT определяются как P = VCE(sat) * IC, где VCE(sat) -- почти постоянная величина. Поэтому при малых токах MOSFET эффективнее (I2*R дает малое значение), а при больших токах IGBT эффективнее (линейная зависимость даёт меньшие потери, чем квадратичная).
Серийно выпускаются IGBT-модули с напряжением пробоя до 6500 В (класс HV-IGBT), применяемые в тяговых преобразователях железнодорожного транспорта и энергетических установках. Типичные классы напряжений: 600, 1200, 1700, 3300, 4500 и 6500 В. Для Si MOSFET серийные приборы обычно ограничены напряжением 600-900 В. SiC MOSFET серийно доступны на 650, 1200 и 1700 В; разработки ведутся до 3300 В.
Настоящая статья носит исключительно ознакомительный и справочный характер. Информация предназначена для общего ознакомления инженерно-технических специалистов с принципами выбора между MOSFET и IGBT и не может заменить детального анализа конкретного приложения с учётом всех условий эксплуатации.
Автор не несёт ответственности за последствия применения данной информации при проектировании силовых преобразователей. Конкретные параметры приборов определяются по документации (datasheet) производителей полупроводниковых компонентов.
1. Baliga B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. -- Springer.
2. Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design. -- Wiley.
3. Rashid M. H. Power Electronics Handbook. -- Academic Press (Elsevier).
4. Toshiba Semiconductor. Application Note: Loss Comparison between SiC MOSFET and Si IGBT.
5. Infineon Technologies. Application Note AN2007-04: IGBT or MOSFET -- Choose Wisely.
6. Bourns Inc. Technical Library: IGBT vs. MOSFET -- Determining the Most Efficient Power Switching Solution.
7. Semikron. Application Manual: Power Semiconductors.
8. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Силовая электроника. -- М.: Издательский дом МЭИ.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.