wersja mobilna
Online: 511 Niedziela, 2016.12.04

Technika

Tranzystory MOSFET kontra IGBT - świadomy wybór

piątek, 15 marca 2013 11:07

Elektronika dużych mocy jest dzisiaj zdominowana przez tranzystory MOSFET i IGBT, które w porównaniu z bipolarnymi wymagają znacznie mniejszej mocy sterującej i są zdolne do przełączania prądów o wartości dziesiątek amperów przy napięciach setek woltów. Pomimo wielu podobieństw, tranzystory MOSFET i IGBT znacznie się różnią. Dodatkowo w przemyśle od pewnego czasu można zaobserwować tendencję do zastępowania MOSFET-ów tranzystorami IGBT. Porównanie technologii tranzystorów MOSFET i IGBT przeprowadzone w dalszej części tekstu wyjaśni przyczyny takiego stanu rzeczy.

MOSFET

Rys. 1. Schemat ułatwiający wybór pomiędzy MOSFET-em a IGBT

MOSFETY można łączyć równolegle po to, aby zwiększyć obciążalność prądową, gdyż mają dodatni współczynnik temperaturowy. Rezystancja kanału w stanie włączenia jest bardzo niewielka, zwłaszcza dla wersji niskonapięciowych, co pozwala na wydatne zmniejszenie strat mocy podczas przewodzenia. MOSFETY są także szybkie, zwłaszcza jeśli chodzi o wyłączanie, co przekłada się na zmniejszenie przełączeniowych strat mocy.

Tranzystory MOSFET mają wewnętrzną diodę włączoną równolegle do tranzystora. W bardzo wielu przypadkach istnienie tego pasożytniczego elementu jest korzystne, ponieważ może on współdziałać z dodatkową diodą antyrównoległą, odciążając ją, co umożliwia zmniejszenie elementu zewnętrznego.

Warto jeszcze dodać, że przewodzący tranzystor tego typu ma charakter rezystancyjny, co oznacza, że spadek napięcia na nim jest proporcjonalny do przepływającego prądu, co jest w większości przypadków niekorzystne.

IGBT

Dzięki specjalnej konstrukcji bipolarne tranzystory mocy z izolowaną bramką (IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor) pod wieloma względami są korzystniejszym rozwiązaniem i w wielu aplikacjach stanowią tańszą alternatywę dla tranzystorów MOSFET. Tranzystory IGBT są połączeniem tranzystora MOSFET (wejście) i tranzystora bipolarnego (wyjście).

W porównaniu do tradycyjnych tranzystorów mocy MOSFET o analogicznych rozmiarach i podobnym zakresie napięć, tranzystory IGBT mają znacząco niższe napięcie w stanie załączenia. Wynika to z innego charakteru prądu płynącego w MOSFET-ach i tranzystorach IGBT. W pierwszym przypadku prąd płynący w tranzystorze ma charakter unipolarny, ponieważ jest wynikiem przepływu wyłącznie nośników większościowych - elektronów.

W tranzystorach IGBT prąd ma charakter bipolarny i jest związany z przepływem zarówno elektronów, jak i dziur. Wstrzykiwanie nośników dziurowych z obszaru p+ do n- znacząco zmniejsza efektywną rezystancję w obszarze dryftu. Zwiększenie przewodności powoduje zmniejszenie wartości napięcia kolektor-emiter w stanie przewodzenia, co jest główną zaletą tranzystorów IGBT w porównaniu z tradycyjnymi MOSFET-ami.

Niższe napięcia na tranzystorze IGBT w stanie załączenia uzyskano kosztem ograniczenia szybkości przełączania, a szczególnie wyłączania. Szybkie wyłączanie jest charakterystyczne dla tranzystorów MOSFET. W przypadku tych elementów przepływ strumienia elektronów można zatrzymać bez zwłoki, obniżając napięcie bramka-emiter poniżej wartości granicznej.

Rys. 2. Schemat zastępczy tranzystora IGBT - w czasie załączenia tranzystora IGBT napięcie na tym elemencie jest większe od napięcia tranzystora MOSFET o spadek napięcia na diodzie. Mimo to, w porównaniu do tradycyjnych tranzystorów mocy MOSFET o analogicznych rozmiarach i podobnym zakresie napięć, tranzystory IGBT mają znacząco niższe napięcie w stanie załączenia - co wynika z bipolarnego charakteru prądu w IGBT

W przypadku tranzystorów IGBT problemem jest natomiast brak możliwości odprowadzenia mniejszościowych nośników dziurowych z obszaru złącza. Sposobem na przyspieszenie procesu usuwania zgromadzonego ładunku jest doprowadzenie napięcia o odwrotnej polaryzacji, co po wyłączeniu tranzystora jest niewykonalne.

Drugą możliwością jest samoistna rekombinacja nośników. Z tym jednak jest związane wydłużenie czasu wyłączania tranzystora i większa energia tracona w tranzystorze przy jego wyłączaniu. Dodatkowym efektem ubocznym z tym związanym jest tzw. ogon prądowy, który można obserwować w przebiegu prądu kolektora.

Opisywane zjawisko od zawsze było uważane za główną wadę tranzystorów IGBT. Elementy IGBT dostępne w handlu typowo przeznaczone są do pracy przy większych napięciach i prądzie przewodzenia niż MOSFET-y, ale za to IGBT nie łączy się raczej równolegle.

Jak wybrać optymalny element?

Dokonanie wyboru ułatwia schemat pokazany na rysunku 1. W przypadku wysokich częstotliwości przełączania i stosunkowo niewielkich wartości prądu najlepszym rozwiązaniem jest zazwyczaj wykorzystanie MOSFET-ów. W wypadku większych prądów lub wysokich napięć zdecydowanie lepszym wyborem będzie zastosowanie tranzystorów IGBT.

Biorąc pod uwagę najczęściej wykorzystywane zakresy częstotliwości przełączania i prądów, w większości rozwiązań można stosować tranzystory mocy obu typów. Mimo to tranzystory IGBT stanowią zazwyczaj najtańsze rozwiązanie. Jest to jedną z przyczyn pojawiającej się ostatnio tendencji do zastępowania nimi tranzystorów MOSFET.

Firma Transfer Multisort Elektronik oferuje bardzo szeroki wybór tranzystorów i modułów IGBT oraz MOSFET. Asortyment TME obejmuje elementy o dopuszczalnych napięciach mieszczących się w zakresie od 12 V do 1700 V i zdolnych łączyć prądy przekraczające 500 A.

Dostawcami elementów są znane i cenione na całym świecie firmy takie jak: International Rectifier, IXYS, Fairchild Semiconductor, ST, Semikron, Toshiba, ON Semiconductor oraz wiele innych.

Jerzy Gołaszewski
TME

www.tme.pl