MOSFET vs. IGBT

Nel mondo dell'elettronica di potenza, la raccolta del giusto dispositivo a semiconduttore è molto importante per migliorare le prestazioni, l'efficienza e l'affidabilità dei sistemi elettronici.Due opzioni popolari sono i transistor bipolari a gate isolati al silicio (SI IGBT) e i transistor ad effetto di campo in metallo-semiconduttore in carburo di silicio (MOSFET SIC).Ognuno di questi dispositivi ha caratteristiche e vantaggi unici, rendendoli adatti a usi diversi.Questo articolo spiegherà le principali differenze tra SI IGBT e MOSFET SIC, discutendo le loro caratteristiche, i pro, i contro e il modo in cui influiscono sulla tecnologia degli inverter, specialmente nei sistemi di trasmissione motori.Comprendendo queste differenze, ingegneri e designer possono prendere decisioni migliori per migliorare i loro progetti di elettronica di energia.

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Figura 1: MOSFET vs. IGBT

Comprensione di SI IGBTS e MOSFET SIC

Mosfet sic

Transistor ad effetto di campo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio (MOSFET SIC) controllando la tensione applicata al loro terminale di gate.Uno dei principali vantaggi dei MOSFET SIC è la loro forte resistenza alla fuga termica, una condizione in cui un aumento della temperatura porta ad un ulteriore aumento della temperatura, causando potenzialmente il fallimento del dispositivo.Questa resistenza è in gran parte dovuta alla migliore conduttività termica del carburo di silicio (SIC) rispetto al silicio normale.L'elevata conduttività termica di SIC garantisce un'efficace dissipazione del calore a livello di dispositivo, mantenendo temperature operative stabili anche in condizioni di alta potenza.

Questa capacità di gestire il calore è molto importante in ambienti con alte temperature, come quelle che si trovano nelle auto e nelle ambientazioni industriali.In queste situazioni, l'affidabilità e l'efficienza delle parti elettroniche sono molto importanti e i MOSFET SIC forniscono una soluzione forte.La loro capacità di mantenere le prestazioni e prevenire il surriscaldamento in condizioni difficili li rende altamente desiderabili per l'elettronica di potenza, in cui la gestione del calore è una grande preoccupazione.

Si igbts

I transistor bipolari a gate isolati al silicio (SI IGBT) sono dispositivi a semiconduttore controllati dalla corrente, che funzionano applicando una corrente al terminale di gate.Questi transistor sono comunemente usati in applicazioni che convertono la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC), specialmente nelle unità motorie.L'attrazione di SI IGBTS è la loro capacità di gestire efficacemente correnti elevate.Offrono anche velocità di commutazione rapide, il che è molto importante per le applicazioni che necessitano di un controllo di alimentazione rapido e preciso.

Per quanto riguarda le caratteristiche elettriche, i SI IGBT hanno una valutazione ad alta tensione, consentendo loro di funzionare in modo sicuro in condizioni di alta tensione.Hanno anche una caduta a bassa tensione attraverso il dispositivo quando conducono la corrente, il che porta a minori perdite di potenza e una migliore efficienza.Inoltre, i SI IGBT hanno basse perdite di conduttanza, il che significa che usano meno energia quando il transistor è nello stato "su", migliorando le prestazioni complessive del sistema.

Queste qualità rendono i SI IGBT particolarmente adatti per applicazioni di trasmissione a motore ad alta potenza, come quelle dei sistemi di produzione.Le loro forti prestazioni in questi ambienti difficili sono dovute alla loro capacità di cambiare efficacemente correnti e tensioni di grandi dimensioni, rendendole una scelta economica e affidabile per il controllo di motori ad alta potenza.

Inverter e il loro impatto sui sistemi di trasmissione del motore

Figura 2: inverter e loro impatto sui sistemi di trasmissione del motore

Nelle applicazioni di trasmissione del motore, gli inverter svolgono una parte importante nella modifica della corrente continua (DC) dai sistemi di batterie alla corrente alternata (AC), che i motori elettrici devono essere eseguiti.Questa modifica è molto necessaria per i veicoli elettrici, in cui i grandi pacchi di batterie danno necessaria la potenza DC.Gli inverter gestiscono molte parti importanti delle prestazioni del motore, tra cui velocità, coppia, potenza ed efficienza.Aiutano anche con la frenata rigenerativa, che è una caratteristica che cattura l'energia durante la frenata e la invia nella batteria, rendendo l'intero sistema più efficiente dal punto di vista energetico.

Il tipo di inverter utilizzato influisce notevolmente sul modo in cui funziona il sistema di trasmissione del motore.Storicamente, sono stati ampiamente utilizzati due tipi di inverter: transistor bipolari a gate isolati al silicio (SI IGBT) e transistor ad effetto di campo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio (MOSFET SIC).

I SI IGBT sono stati la scelta standard perché sono affidabili e i processi di produzione per loro sono ben consolidati.Tuttavia, i MOSFET SIC stanno diventando più popolari perché si comportano meglio.I MOSFET SIC hanno perdite di commutazione più basse, una migliore conducibilità termica e possono funzionare a frequenze e temperature più elevate rispetto agli IGBT SI.Questi vantaggi portano a una migliore efficienza, meno necessità di raffreddamento e capacità di progettare sistemi di trasmissione a motore più piccoli e più leggeri.

Inizialmente, l'elevato costo dei MOSFET SIC limitava il loro uso a applicazioni di fascia alta o speciali.Tuttavia, i miglioramenti nella tecnologia di produzione e nella produzione di massa hanno notevolmente ridotto il costo dei dispositivi SIC, rendendoli un'opzione pratica e attraente per una gamma più ampia di applicazioni di trasmissione motorie.Questa riduzione dei costi, insieme ai loro benefici per le prestazioni, ha portato a un maggiore uso dei MOSFET SIC in vari settori, tra cui settori automobilistici, di automazione industriale e di energia rinnovabile.

Vantaggi e svantaggi di SI IGBTS e MOSFET SIC

SI IGBTS (Transistor bipolari a gate isolato al silicio)

I transistor bipolari a gate isolati al silicio (SI IGBT) sono ampiamente utilizzati in applicazioni ad alta potenza a causa dei loro forti tratti di prestazione.Ecco uno sguardo dettagliato ai loro vantaggi e svantaggi:

• Vantaggi di SI IGBTS

Gestisce bene le grandi correnti: I SI IGBT sono molto bravi a gestire in modo efficiente correnti di grandi dimensioni.Questo li rende una buona scelta per le applicazioni che devono gestire grandi carichi di alimentazione, come macchinari industriali e veicoli elettrici.

Velocità di commutazione rapida: SI IGBTS può accendere e spegnere rapidamente, il che migliora le loro prestazioni nei sistemi che richiedono rapidi cambiamenti nel flusso di corrente.Questa capacità di commutazione rapida è utile per le applicazioni che richiedono rapidi cambiamenti, portando a una migliore reattività e prestazioni.

Basso costo: Il processo di produzione per i SI IGBT è maturo e consolidato, con conseguente minore costi di produzione.Questo vantaggio in termini di costi rende SI IGBTS una scelta economica per molte applicazioni ad alta potenza, mantenendo basse le spese generali del sistema.

È possibile gestire tensioni elevate: SI IGBTS può resistere ad alte tensioni, rendendole adatte per applicazioni che funzionano ad alti livelli di tensione.Questa capacità è particolarmente utile nei sistemi di trasmissione e distribuzione di potenza in cui è necessaria una resistenza ad alta tensione.

Bassa perdita di energia: I SI IGBT hanno perdite minime di caduta di tensione e conduttanza quando si conducono la corrente.Questa efficienza si traduce in una ridotta perdita di energia e in una migliore prestazione complessiva del sistema, il che è utile per mantenere un'alta efficienza nelle applicazioni sensibili alla potenza.

• Svantaggi di SI IGBTS

Incline al surriscaldamento: In applicazioni ad alta potenza, come quelle in veicoli elettrici o sistemi industriali, i SI IGBT possono surriscaldarsi.Questo surriscaldamento può portare alla fuga termica, una condizione in cui l'aumento della temperatura provoca ulteriori aumenti di temperatura, portando potenzialmente a guasti al dispositivo.Questo rischio di questioni termiche rappresenta un problema di affidabilità in situazioni ad alta potenza.

Tempi di svolta più lenti: Rispetto ad alcuni nuovi dispositivi a semiconduttore, i SI IGBT impiegano più tempo a spegnere.Questa svolta più lenta può limitare la loro efficacia nelle applicazioni che necessitano di commutazione molto rapida, come inverter ad alta frequenza o sistemi di controllo dei motori avanzati.Il tempo di consegna più lento può portare ad un aumento delle perdite di commutazione e una ridotta efficienza complessiva in tali applicazioni.

MOSFET SIC (transistor ad effetto-ossido-semiconduttore in carburo di silicio)

Nelle applicazioni di azionamento del motore, la scelta tra transistor bipolari a gate isolato al silicio (SI IGBT) e transtor a effetto di campo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio (MOSFET SIC) influisce notevolmente sulle prestazioni e l'efficienza del sistema.Comprendere i pro e i contro dei MOSFET SIC aiuta a spiegare perché stanno diventando una scelta popolare in molte applicazioni ad alte prestazioni nonostante alcune sfide.

• Vantaggi dei MOSFET SIC

Maggiore efficienza: I MOSFET SIC hanno una conduzione inferiore e perdite di commutazione rispetto agli IGBT SI.Questa migliore efficienza riduce il consumo di energia e aumenta le prestazioni complessive del sistema di trasmissione del motore.Perdite più basse significano che meno energia viene sprecata come calore, portando a un uso di energia più efficace.

Migliore gestione del calore: Il carburo di silicio conduce calore meglio del silicio.Ciò consente ai MOSFET SIC di gestire il calore in modo più efficace, mantenendo le loro prestazioni e affidabilità anche in condizioni ad alta potenza.Una migliore gestione del calore riduce la necessità di ampi sistemi di raffreddamento, rendendo i costi più semplici e di taglio.

Commutazione più veloce: I MOSFET SIC possono funzionare a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto ai SI IGBT.La commutazione più rapida consente un controllo più preciso del motore e può migliorare le prestazioni nelle applicazioni che necessitano di una commutazione rapida.Ciò è particolarmente utile nelle unità di veicoli elettrici e nel controllo industriale del motore, in cui l'efficienza e i tempi di risposta rapidi sono molto importanti.

Gestione della tensione più alta: I MOSFET SIC possono gestire tensioni più elevate rispetto ai SI IGBT, rendendoli adatti per applicazioni ad alta tensione.Questa tolleranza a tensione più elevata è utile nelle interfacce della griglia elettrica e nelle unità industriali ad alta potenza, dove è necessaria una forte gestione della tensione.

Dimensioni più piccole: Grazie alla loro migliore efficienza e proprietà di calore, i MOSFET SIC possono essere resi più piccoli delle loro controparti di silicio.Questa riduzione delle dimensioni è utile per la creazione di sistemi più compatti e leggeri, che è particolarmente prezioso in applicazioni come i veicoli elettrici, in cui il risparmio di spazio e peso è molto importante.

• Svantaggi dei MOSFET SIC

Costo più elevato: Fare MOSFET SIC è più complesso e costoso della produzione di SI.Questo costo di produzione più elevato porta a un prezzo di acquisto più elevato, che può essere una barriera, soprattutto in applicazioni sensibili ai costi.Tuttavia, man mano che la produzione migliora e vengono prodotte quantità maggiori, questi costi stanno gradualmente diminuendo.

Uso limitato del mercato: Come nuova tecnologia, i MOSFET SIC non sono stati ancora ampiamente adottati come i SI.Questo uso limitato può comportare un minor numero di componenti disponibili e meno supporto, rendendo più difficile per gli ingegneri trovare parti e ottenere aiuto tecnico.Nel tempo, man mano che la tecnologia SIC diventa più comune, questa limitazione dovrebbe ridurre.

Esigenze di unità complesse: I MOSFET SIC hanno spesso bisogno di circuiti di azionamento più avanzati rispetto ai SI IGBT.La complessità di questo circuito di azionamento può complicare la progettazione complessiva del sistema e possibilmente aumentare i costi di sviluppo.Gli ingegneri devono progettare e implementare attentamente questi circuiti a beneficio della tecnologia SIC.

Tecnologia Inverter migliorata con MOSFET SIC

Figura 3: Confronto della soluzione SI dell'armadio di alimentazione vs. soluzione SIC per gli inverter di trasmissione del motore

I MOSFET in carburo di silicio (MOSFET SIC) hanno notevolmente migliorato la tecnologia dell'inverter nei sistemi di trasmissione motori, offrendo molti benefici sui transistor bipolari a gate isolati al silicio (SI IGBT).I MOSFET SIC possono funzionare a velocità di commutazione molto più elevate a causa delle loro minori perdite di commutazione, consentendo un controllo più accurato della velocità e della coppia del motore.Gestiscono anche meglio il calore, il che significa che si sbarazzano del calore in modo più efficace e riducono la necessità di grandi sistemi di raffreddamento.Ciò porta a disegni di inverter più piccoli e più leggeri, che è particolarmente buono per i veicoli elettrici.

I MOSFET SIC possono anche funzionare a temperature più elevate, aumentando l'affidabilità e la durata della durata dei sistemi di trasmissione del motore in condizioni difficili.Mentre i SI IGBT possono ancora essere utilizzati in applicazioni più economiche o in cui le alte velocità di commutazione e la gestione del calore sono meno preoccupazioni, l'efficienza, la migliore gestione del calore e le prestazioni più elevate dei MOSFET SIC li rendono perfetti per applicazioni ad alte prestazioni e affidabili per motori,compresi veicoli elettrici e automazione industriale.

Le principali differenze tra IGBT e MOSFET

Parametro	IGBT	MOSFET
Gamma di tensione	600v a 6500 V (applicazioni comuni ad alta tensione)	20v a 1000 V (applicazioni comuni a media tensione)
Applicazioni tipiche	Applicazioni ad alta tensione, ad alta corrente, ad esempio griglie elettriche, industriali motori e inverter	Applicazioni da bassa a media tensione, ad esempio alimentatori, audio amplificatori e controller motori
Caduta di tensione sullo stato (VCe O VDs)	Caduta di tensione più alta, in genere da 2v a 4V	Caduta di tensione inferiore, in genere da 0,1 V a 1V
Velocità di commutazione	Velocità di commutazione più lenta (più adatta per una frequenza inferiore applicazioni)	Velocità di commutazione più veloce (più adatta per applicazioni ad alta frequenza)
Perdite di conduzione	Più alto a causa della natura bipolare e una goccia di tensione più elevata	Inferiore a causa della natura unipolare e della caduta di tensione inferiore
Commutazione perdite	Più alto a causa della velocità di commutazione più lenta	Inferiore a causa della velocità di commutazione più rapida
Stabilità termica	Migliore prestazioni termiche a livelli di potenza più elevati	Prestazioni termiche limitate rispetto agli IGBT
Controllare la complessità	Requisiti più facili del gate, in genere controllati dalla tensione	Richiede circuiti di trasmissione di gate più complessi, in genere controllato corrente
Robustezza	Generalmente migliore a corto circuito resiste alla capacità	Tipicamente inferiore a corto circuito Restringi la capacità
Costo	Generalmente più alto per le valutazioni di tensione equivalenti	Generalmente inferiore per le valutazioni di tensione equivalenti

Tipo di dispositivo

Figura 4: tipo di dispositivo - confronto con simboli MOSFET e IGBT

Gli IGBT (Transistor bipolari a gate isolati) sono una miscela di MOSFET (transistor ad effetto campo-semiconduttore metallico) e transistor bipolari.Hanno un gate controllato dalla tensione come MOSFET, che semplifica la commutazione.Hanno anche abilità di trasporto di corrente simili a bipolari, consentendo loro di gestire livelli elevati di potenza.I MOSFET, al contrario, sono solo transistor controllati dalla tensione.Il flusso di corrente tra i terminali di sorgente e di drenaggio è controllato dalla tensione applicata al gate.

Valutazione di tensione

Figura 5: Tensione di scarico/Collector vs.Corrente per MOSFET e IGBT

Per la valutazione della tensione, gli IGBT sono migliori per usi ad alta tensione, che vanno da centinaia a migliaia di volt.Questo li rende adatti per applicazioni ad alta potenza come unità motore e inverter di potenza.I MOSFET sono generalmente utilizzati in applicazioni di tensione media a media, che vanno da decine a centinaia di volt, che sono comuni nei circuiti di commutazione elettronica e nei regolatori di tensione.

Gestione attuale

Figura 6: Caratteristiche VD-ID a 25 ° C e 150 ° C per MOSFET e IGBT

In termini di gestione di corrente, gli IGB sono ottimi per applicazioni ad alta corrente a causa della loro capacità di trasportare la corrente bipolare.Questo li rende utili nelle impostazioni ad alta potenza.I MOSFET, tuttavia, sono in genere utilizzati per applicazioni di corrente a basso a moderato, in cui sono necessarie elevata efficienza e commutazione rapida.

Velocità di commutazione

La velocità di commutazione è un'altra grande differenza.L'IGBTS si interrompe più lentamente dei MOSFET, che va bene per le applicazioni in cui non è necessaria una commutazione rapida.D'altra parte, i MOSFET sono realizzati per un uso ad alta frequenza, offrendo velocità di commutazione più veloci.Ciò li rende adatti per applicazioni come alimentatori e convertitori che richiedono una commutazione rapida ed efficiente.

Efficienza

L'efficienza varia tra IGBT e MOSFET in base ai livelli di tensione e di corrente.Gli IGBT hanno perdite di conduzione più basse ad alte tensioni e correnti, rendendoli più efficienti nelle applicazioni ad alta potenza.I MOSFET, tuttavia, sono più efficienti a basse tensioni e correnti a causa della loro bassa resistenza e capacità di commutazione rapida.

Applicazioni

Figura 7: Struttura di base MOSFET vs.Struttura di base IGBT

Gli usi di questi dispositivi riflettono i loro punti di forza.Gli IgBT sono comunemente usati in situazioni ad alta potenza come unità motorie, inverter di potenza e sistemi di riscaldamento a induzione a causa della loro capacità di gestire l'alta tensione e la corrente.I MOSFET sono migliori per le applicazioni che danno la priorità a commutazione rapida ed efficienza a livelli di potenza inferiori, come circuiti di commutazione elettronica e regolatori di tensione.

Requisiti di guida di gate

Infine, i requisiti di guida di gate differiscono tra IGBT e MOSFET.Gli IGBT necessitano di una tensione positiva sul gate rispetto all'emettitore per accendere e si spegne riducendo la tensione del gate.I MOSFET, tuttavia, hanno bisogno di una tensione positiva sul cancello rispetto alla fonte sia per l'accensione che per spegnere, rendendo il loro portata più semplice e più semplice.

Conclusione

Sia i MOSFET SI e SIC hanno punti di forza unici adatti a diverse applicazioni ad alta potenza.I SI IGBT sono fantastici nel gestire grandi correnti e alte tensioni e sono più economici da produrre, rendendoli affidabili per usi tradizionali come motori industriali e griglie elettriche.Tuttavia, possono surriscaldarsi e cambiare più lentamente, il che può essere un problema in ambienti ad alta velocità o molto caldi.

D'altra parte, i MOSFET SIC gestiscono meglio il calore, cambiano più velocemente e sono più efficienti, rendendoli uno dei preferiti per usi moderni come auto elettriche e sistemi industriali ad alte prestazioni.Sebbene costano all'inizio di più e necessitano di circuiti di azionamento più complessi, i continui miglioramenti nella tecnologia SIC stanno riducendo questi problemi, portando a un uso più ampio.

La scelta tra SI IGBT e MOSFET SIC dipende dalle esigenze specifiche dell'applicazione, come i livelli di tensione e di corrente, velocità di commutazione e gestione del calore.Utilizzando i punti di forza di ciascun dispositivo, gli ingegneri possono progettare e costruire sistemi elettronici di potenza migliori, guidando miglioramenti ed efficienza in vari settori tecnologici.

Domande frequenti [FAQ]

1. Qual è il miglior IGBT o MOSFET?

La scelta tra IGBT e MOSFET dipende da ciò per cui hai bisogno.I MOSFET sono generalmente migliori per attività di potenza a bassa a media potenza che richiedono velocità di commutazione rapide e una buona gestione del calore.Sono buoni per cose come alimentatori e controller motori.Gli IGBT, d'altra parte, sono migliori per le attività ad alta potenza perché possono gestire correnti più grandi e tensioni più elevate, rendendole ideali per motori industriali e inverter di energia.

2. IGBT può sostituire MOSFET?

A volte, gli IGBT possono sostituire i MOSFET, specialmente in compiti ad alta potenza in cui è molto necessaria la gestione di grandi correnti e tensioni.Tuttavia, poiché gli IGBT cambiano più lento e maneggiano il calore in modo diverso, potrebbero non essere utili per le attività che necessitano di una commutazione molto rapida e una bassa perdita di potenza, dove i MOSFET sono migliori.

3. Come faccio a sapere se ho IGBT o MOSFET?

Per scoprire se hai un IGBT o MOSFET, controlla il numero di parte e i dettagli del produttore.I fogli dati ti diranno se il dispositivo è un IGBT o un MOSFET.Possono assomigliare allo stesso modo, quindi è necessario controllare la documentazione o i segni del componente.

4. Qual è il dispositivo di commutazione più veloce IGBT o MOSFET?

I MOSFET sono generalmente i dispositivi di commutazione più veloci rispetto agli IGBT.Possono passare a velocità molto più elevate, il che le rende adatte a compiti che richiedono un commutazione rapida, come negli alimentatori e negli inverter ad alta frequenza.

5. Come faccio a sapere se ho IGBT o MOSFET?

Puoi scoprire se hai un IGBT o MOSFET guardando i segni del componente e confrontandoli con i tecnici di dati o i dettagli del produttore.Questi documenti forniscono informazioni dettagliate sul tipo di dispositivo a semiconduttore, incluso se si tratta di un IGBT o MOSFET.