Мощные полупроводниковые ключи (транзисторы IGBT и MOSFET)

Введение
Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы используются весьма широко в различных устройствах специальной и бытовой техники, таких, как плееры, телевизоры, автомобили, стиральные машины и компьютеры. Полупроводниковые приборы прочно вошли в нашу жизнь, их характеристики продолжают совершенствоваться, а цена - снижаться. Прогресс в области вычислительной техники значительно превышает прогресс в других областях техники. Определяющим фактором такого прогресса является совершенствование технологии производства транзисторов и микросхем, их микроминиатюризация, в частности на основе полевых транзисторов. Характеристики этих устройств улучшаются год от года, потребляемая мощность снижается, их стоимость уменьшается. Поэтому изучение характеристик таких приборов и применения в различных областях является весьма актуальной темой.Цель: выявить характеристики и применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы IGBT и MOSFET.Задачи:1. Рассмотреть характеристики и область применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы IGBT.2. Определить характеристики и области применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы MOSFET.3. Предоставить информацию об отличиях и особенностях применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы IGBT и MOSFET.Глава 1. Характеристики и области применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы IGBTВ настоящее время в электронике имеют большую популярность IGBT транзисторы. Если расшифровать эту аббревиатуру с английского языка, то это биполярный транзистор с изолированным затвором. Он применяется в виде электронного мощного ключа для систем управления приводами механизмов, в источниках питания.Этот силовой транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.Наибольшей популярностью пользуются IGBT в силовых цепях преобразователей частоты и электродвигателей переменного тока мощностью до 1 мегаватта. По вольтамперным свойствам эти транзисторы аналогичны биполярным моделям полупроводников, но качество и чистота коммутации у них намного больше. Современные технологии изготовления дают возможность оптимизировать транзисторы по функциональным характеристикам. Уже разработаны полупроводники, способные работать при большем напряжении и величине тока.Основные параметрыУправляющее напряжение – это разность потенциалов, способная управлять работой затвора.Наибольший допустимый ток.Напряжение пробоя между эмиттером и коллектором.Ток отсечки эмиттер-коллектор.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор.Входная емкость.Выходная емкость.Паразитная индуктивность.Период задержки подключения.Период задержки выключения.Внутреннее сопротивление.В регуляторах скорости применяются IGBT транзисторы с рабочей частотой в несколько десятков кГц.ДостоинстваПростая параллельная схема.Отсутствие потерь.Повышенная плотность тока.Устойчивость к замыканиям.Малые потери в открытом виде.Возможность функционирования при повышенной температуре (выше 100 градусов).Эксплуатация с высоким напряжением (выше 1 кВ) и мощностями (более 5 кВт).При проектировании схем подключения с транзисторами нужно иметь ввиду, что существует ограничение по наибольшему току. Для этого применяют некоторые способы:Правильный подбор тока защиты.Выбор сопротивления затвора.Использование обходных путей коммутации.Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.IGBT транзисторы служат для приближения токов замыкания к безопасному значению. Они ограничивают напряжение затвора следующими методами:С помощью привязки к определенному значению напряжения. Это достигается тогда, когда драйвер затвора имеет постоянное напряжение. Главным способом является добавление в схему диода, имеющего малое падение напряжения (диод Шоттки). Значительный эффект получается путем уменьшения индуктивности цепи затвора и питания.Ограничение значения напряжения затвора путем использования стабилитрона в схеме затвора и эмиттера. Неплохая эффективность получается за счет установки диодов к дополнительным клеммам модуля. Диоды применяются с малым разбросом и температурной зависимостью.Подключение в цепь отрицательной обратной связи эмиттера. Такой способ доступен, когда подключен эмиттер драйвера затвора к клеммам эмиттера модуля.IGBT транзисторы чаще всего работают в сетях высокого напряжения до 6,5 киловольт для надежной и безопасной работы электроустановок в аварийном режиме при коротких замыканиях.Вышеперечисленные свойства транзисторов дают возможность использовать их в частотно-регулируемых приводах, инверторах, импульсных регуляторах тока, а также в сварочных аппаратах.Также IGBT применяются в системах мощных приводов управления электровозов, троллейбусов. Это повышает КПД и создает повышенную плавность хода. Силовые транзисторы широко используются в цепях высокого напряжения. Они входят в состав схем посудомоечных машин, бытовых кондиционеров, автомобильного зажигания, блоков питания телекоммуникационного оборудования.Глава 2. Характеристики и области применения мощных полупроводниковых ключей - транзисторы MOSFETMOSFET-транзисторы – полевые транзисторы с изолированным затвором. Расшифровка аббревиатуры - Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем) Вообще класс полевых транзисторов включает полупроводниковые приборы, управляемые внутренним полем. Внутреннее поле создается напряжением, поэтому полевые транзисторы, в отличие от биполярных транзисторов управляются напряжением! Именно это свойство обеспечивает широкое применение полевых транзисторов.Ключевыми преимуществами MOSFET-транзисторов являются:- малая энергия на переключение транзисторы (фактически нужно только перезарядить емкость затвора); - высокая скорость переключения; - во включённом состоянии представляет собой омическое сопротивление.MOSFET-транзисторы, как и биполярные транзисторы имеют две основных типа структуры: n-канальные и p-канальные.Не вдаваясь во внутренние подробности строения MOSFET транзисторов укажем основные отличия в принципе управления:- n-канальный MOSFET-транзистор открывается положительной полярностью напряжения затвор-исток, и в открытом состоянии пропускает ток от стока к истоку;- p-канальный MOSFET-транзистор открывается отрицательной полярностью напряжения затвор-исток, и в открытом состоянии пропускает ток от истока к стоку.По той же причине, что и в биполярных транзисторах, n-канальные MOSFET-транзисторы шустрее p-канальных MOSFET-транзисторов.Условные обозначения транзисторов n-канального и p-канального MOSFET-транзисторов представлены на рисунке MOSFET.1.Рисунок MOSFET.1 - Условные обозначения MOSFET транзисторовMOSFET-транзистор в открытом состоянии фактически представляет собой сопротивление. То есть падение напряжения на транзисторе зависит только от его тока. Это очень важное отличие от биполярного транзистора и IGBT-транзистора, всегда имеющих некоторое падение напряжение в открытом состоянии. В закрытом состоянии сопротивление MOSFET-транзистора составляет десятки-сотни МОм. В открытом – от единиц Ом до единиц миллиОм. Впрочем, сопротивление MOSFET-транзистора в открытом состоянии непостоянно – оно несколько увеличивается с ростом тока. Как правило, не более чем 20-25% при изменении тока от минимального значения до максимального.Необходимо отметить, что из-за особенностей внутренней структуры MOSFET-транзистор имеет в своем составе паразитный обратный диод, включенный параллельно стоку-истоку, который иногда приводят в условном обозначении транзистора (рисунок MOSFET.2). Если быть до конца точным, то паразитный диод является следствием паразитного транзистора присутствующего в конструкции MOSFET-транзистора. При изготовлении база транзистора электрически соединяется с истоком и коллекторный переход выполняет роль обратного диода.Рисунок MOSFET.2 - Эквивалентные схемы внутренней структуры MOSFET-транзистораПадение напряжения на обратном диоде составляет 0,6-0,8 В, что меньше падения напряжения на обычном кремниевом p-n диоде (рисунок MOSFET.3). Именно по этой причине параллельное включение внешних обратных диодов бессмысленно. Ложку дегтя еще добавляет и то, что этот диод достаточно медленный, то есть достаточно долго (порядка 0,3-1 мкс) переходит в непроводящее состояние при смене полярности тока. Существуют схемотехнические способы обойти этот диод, например путем последовательного включения в цепь стока диода Шоттки и «обходного» быстродействующего диода, включаемого параллельно цепи транзистора и диода.Рисунок MOSFET.3 - Реверсный диод в составе MOSFET-транзистораОбласти использования MOSFET-транзисторов: в импульсных преобразователях и стабилизаторах; в генераторных устройствах; в усилительных каскадах (особенно в звуковых Hi-Fi усилителях); в твердотельных реле; - в качестве элемента логических схем.Основные преимущества MOSFET-транзисторов проявляются при их использовании в качестве ключевых элементов. При всех преимуществах MOSFET-транзисторы достаточно «нежные» существа: боятся статического электричества, разрушаются при перегреве свыше 150 °С. Из этого следует то, что полевые транзисторы более критичны к перегреву при пайке по сравнению с биполярными, а также то, что с ними целесообразно работать при условии защиты от статического электричества.Глава 3. MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их примененияТехнологии в области силовой электроники все время совершенствуются: реле становятся твердотельными, биполярные транзисторы и тиристоры заменяются все обширнее на полевые транзисторы, новые материалы разрабатываются и применяются в конденсаторах и т. д. — всюду определенно заметна активная технологическая эволюция, которая не прекращается ни на год. Это связано, очевидно, с тем, что в какой-то момент производители оказываются не в состоянии удовлетворить запросы потребителей на возможности и качество силового электронного оборудования: у реле искрят и обгорают контакты, биполярные транзисторы для управления требуют слишком много мощности, силовые блоки занимают неприемлемо много места и т. п. Производители конкурируют между собой — кто первым предложит лучшую альтернативу.Так и появились полевые MOSFET транзисторы, благодаря которым управление потоком носителей заряда стало возможным не посредством изменения тока базы, как у биполярных предков, а посредством электрического поля затвора, по сути — просто приложенным к затвору напряжением.В итоге уже к началу 2000-х доля силовых устройств на MOSFET и IGBT составляла около 30%, в то время как биполярных транзисторов в силовой электронике осталось менее 20%. За последние лет 15 произошел еще более существенный рывок, и биполярные транзисторы в классическом понимании почти полностью уступили место MOSFET и IGBT в сегменте управляемых силовых полупроводниковых ключей.Рис. 4 MOSFET и IGBT транзисторыПроектируя, к примеру, силовой высокочастотный преобразователь, разработчик уже выбирает между MOSFET и IGBT – оба из которых управляются напряжением, прикладываемым к затвору, а вовсе не током, как биполярные транзисторы, и цепи управления получаются в результате более простыми. Давайте, однако рассмотрим особенности этих самых транзисторов, управляемых напряжением затвора.У IGBT (БТИЗ-биполярный транзистор с изолированным затвором) в открытом состоянии рабочий ток проходит через p-n-переход, а у MOSFET – через канал сток-исток, обладающий резистивным характером. Вот и возможности для рассеяния мощности у этих приборов различаются, потери получаются разными: у MOSFET-полевика рассеиваемая мощность будет пропорциональна квадрату тока через канал и сопротивлению канала, в то время как у БТИЗ рассеиваемая мощность окажется пропорциональна напряжению насыщения коллектор-эмиттер и току через канал в первой степени.Рис. 5 Потери на MOSFET и на IGBTЕсли нам нужно снизить потери на ключе, то потребуется выбрать MOSFET с меньшим сопротивлением канала, однако не стоит забывать, что с ростом температуры полупроводника это сопротивление вырастет и потери на нагрев все же возрастут. А вот у IGBT с ростом температуры напряжение насыщения p-n-перехода, наоборот, снижается, значит и потери на нагрев уменьшаются.Но не все так элементарно, как может показаться на взгляд неискушенного в силовой электронике человека. Механизмы определения потерь у IGBT и MOSFET в корне различаются. Как вы поняли, у MOSFET-транзистора сопротивление канала в проводящем состоянии обуславливает определенные потери мощности на нем, которые по статистике почти в 4 раза превосходят мощность, затрачиваемую на управление затвором.У IGBT дело обстоит с точностью до наоборот: потери на переходе меньше, а вот затраты энергии на управление — больше. Речь о частотах порядка 60 кГц, и чем выше частота — тем больше потери на управление затвором, особенно применительно к IGBT.Рис. 6 Транзистор IGBTДело все в том, что в MOSFET неосновные носители заряда не рекомбинируют, как это происходит в IGBT, в составе которого есть полевой MOSFET-транзистор, определяющий скорость открывания, но где база недоступна напрямую, и ускорить процесс при помощи внешних схем нельзя. В итоге динамические характеристики у IGBT ограничены, ограничена и предельная рабочая частота.Повышая коэффициент передачи и снижая напряжение насыщения — допустим, понизим статические потери, но зато повысим потери при переключении. По этой причине производители IGBT-транзисторов указывают в документации на свои приборы оптимальную частоту и максимальную скорость переключения.Есть недостаток и у MOSFET. Его внутренний диод отличается конечным временем обратного восстановления, которое так или иначе превышает время восстановления, характерное для внутренних антипараллельных диодов IGBT. В итоге имеем потери включения и токовые перегрузки у MOSFET в полумостовых схемах.Теперь непосредственно про рассеиваемое тепло. Площадь полупроводниковой IGBT-структуры больше, чем у MOSFET, поэтому и рассеиваемая мощность у IGBT больше, вместе с тем температура перехода в процессе работы ключа растет интенсивнее, поэтому важно правильно подобрать радиатор к ключу, грамотно рассчитав поток тепла, приняв в расчет тепловые сопротивления всех границ сборки.У MOSFET на высоких мощностях также растут потери на нагрев, сильно превосходя потери на управление затвором IGBT. При мощностях выше 300-500Вт и на частотах в районе 20-30 кГц преимущество будет за IGBT-транзисторами. Вообще, для каждой задачи выбирают свой тип ключа, и есть определенные типовые воззрения на этот аспект. MOSFETы подойдут для работы на частотах выше 20 кГц при напряжениях питания до 300 В — зарядные устройства, импульсные блоки питания, компактные инверторы небольшой мощности и т. д. - подавляющее большинство из них собирают сегодня на MOSFET. IGBT хорошо работают на частотах до 20 кГц при напряжениях питания 1000 и более вольт — частотные преобразователи, ИБП и т. п. — вот низкочастотный сегмент силовой техники для IGBT-транзисторов. В промежуточной нише — от 300 до 1000 вольт, на частотах порядка 10 кГц, - подбор полупроводникового ключа подходящей технологии осуществляют сугубо индивидуально, взвешивая все за и против, включая цену, габариты, КПД и другие факторы.
Заключение
Нельзя однозначно сказать, что в одной типовой ситуации подойдет именно IGBT, а в другой — только MOSFET. Необходимо комплексно подходить к разработке каждого конкретного устройства. Исходя из мощности прибора, режима его работы, предполагаемого теплового режима, приемлемых габаритов, особенностей управления схемой и т.д.И главное — выбрав ключи нужного типа, разработчику важно точно определить их параметры, ибо в технической документации отнюдь не всегда все точно соответствует реальности. Чем более точно будут известны параметры — тем эффективнее и надежнее получится изделие, независимо от того, идет ли речь об IGBT или о MOSFET.
Список литературы
Полевые транзисторы и их применение // URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=729859 (дата обращения: 11.01.2022).Силовые MOSFET и IGBT транзисторы, отличия и особенности их применения // URL: http://electrik.info/main/praktika/1317-silovye-mosfet-i-igbt-tranzistory-osobennosti-ih-primeneniya.html (дата обращения: 11.01.2022).IGBT транзисторы. Устройство и работа. Параметры и применение // URL: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/igbt-tranzistory/ (дата обращения: 11.01.2022).MOSFET-транзисторы // URL: https://power-electronics.info/mosfet.html (дата обращения: 11.01.2022).MOSFET транзисторы-что представляет собой, принцип работы Источник: https://radio-blog.ru/master/practice/mosfet-tranzistory // URL: https://radio-blog.ru/master/practice/mosfet-tranzistory/ (дата обращения: 11.01.2022).