ماسفت در مقابل IGBT

ماسفت در مقابل IGBT: تفاوت چیست و کدام ترانزیستور بهتر است؟

ماسفت در مقابل IGBT :وقتی صحبت از برنامه های SMPS می شود، هر دو ترانزیستور مزایای خود را دارند، اما کدام یک برای شما مناسب است؟

امروزه انواع مختلفی از ترانزیستورهای منبع تغذیه سوئیچ (SMPS) وجود دارد. دو تا از محبوب‌ترین نسخه‌های آن ترانزیستور اثر میدان نیمه‌رسانای اکسید فلز (MOSFET) و ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (IGBT) هستند. از نظر تاریخی، فرکانس های سوئیچینگ کم ولتاژ، جریان کم و بالا به نفع ماسفت ها هستند. از سوی دیگر، فرکانس های سوئیچینگ با ولتاژ بالا، جریان بالا و پایین، به نفع IGBT ها هستند.

ماسفت یا IGBT کدام بهتر است؟

در حالی که همه در مورد اینکه کدام دستگاه در یک برنامه SMPS بهترین کار را می کند، نظر دارند، حقیقت این است: هیچ استاندارد جهانی برای تعیین اینکه کدام دستگاه عملکرد بهتری را در یک نوع مدار خاص ارائه می دهد وجود ندارد. از برنامه ای به برنامه دیگر متفاوت است و طیف وسیعی از عوامل مانند سرعت، اندازه و هزینه همگی در تعیین انتخاب مناسب نقش دارند.

بنابراین، به جای اینکه بگوییم یکی کاملاً بهتر از دیگری است، در اینجا یک مرور کلی در مورد تفاوت‌های بین هر دو ترانزیستور وجود دارد.

ماسفت یک سوئیچ با سه ترمینال (دریچه، تخلیه و منبع) با کنترل کامل است.

سیگنال گیت/کنترل بین گیت و منبع رخ می دهد و پایانه های سوئیچ آن تخلیه و منبع هستند. دروازه خود از فلز ساخته شده است که از منبع جدا شده و با استفاده از اکسید فلزی تخلیه می شود. این امکان مصرف انرژی کمتری را فراهم می کند و ترانزیستور را به یک انتخاب عالی برای استفاده به عنوان سوئیچ الکترونیکی یا تقویت کننده منبع مشترک تبدیل می کند.

برای اینکه ماسفت ها به درستی کار کنند، باید یک ضریب دمایی مثبت را حفظ کنند. این بدان معناست که احتمال فرار حرارتی بسیار کم است. تلفات در حالت کمتر است زیرا مقاومت ترانزیستور در حالت حالت، از نظر تئوری، محدودیتی ندارد. همچنین، از آنجایی که ماسفت ها می توانند در فرکانس های بالا کار کنند، می توانند برنامه های سوئیچینگ سریع را با تلفات خاموش کردن کمی انجام دهند.

ماسفت های قدرتی

انواع مختلفی از ماسفت ها وجود دارد، اما یکی از قابل مقایسه ترین آنها با IGBT، ماسفت قدرتی است. این به ویژه برای کنترل سطوح توان قابل توجه طراحی شده است. آنها فقط در حالت های “روشن” یا “خاموش” استفاده می شوند، که منجر به پرمصرف ترین کلید ولتاژ پایین آنها شده است. در مقایسه با IGBT، یک ماسفت قدرت دارای مزایای سرعت کموتاسیون بالاتر و کارایی بیشتر در حین کار در ولتاژهای پایین است. علاوه بر این، می تواند یک ولتاژ مسدود کننده بالا را حفظ کند و جریان بالایی را حفظ کند. این به این دلیل است که اکثر ساختارهای ماسفت های قدرتی عمودی هستند (نه مسطح). رتبه بندی ولتاژ آن تابع مستقیم دوپینگ و ضخامت لایه N-اپیتاکسیال است و رتبه بندی جریان آن به عرض کانال مربوط می شود (هرچه کانال گسترده تر باشد جریان بیشتر می شود). به دلیل کارایی، ماسفت های قدرت در منابع تغذیه، مبدل های dc/dc و کنترل کننده های موتورهای ولتاژ پایین استفاده می شوند.

IGBT همچنین یک سوئیچ با سه ترمینال (دروازه، کلکتور و امیتر) با کنترل کامل است. سیگنال گیت/کنترل آن بین گیت و امیتر قرار می گیرد و پایانه های سوئیچ آن تخلیه و امیتر هستند.

IGBT ویژگی های گیت درایو ساده موجود در ماسفت را با قابلیت جریان بالا و ولتاژ اشباع پایین ترانزیستور دوقطبی ترکیب می کند. این کار را با استفاده از یک ترانزیستور اثر میدان گیت ایزوله برای ورودی کنترل و یک ترانزیستور قدرت دوقطبی به عنوان سوئیچ انجام می دهد.

IGBT برای روشن و خاموش شدن سریع طراحی شده است. در واقع، فرکانس تکرار پالس آن در واقع به محدوده اولتراسونیک می رسد. این قابلیت منحصر به فرد به همین دلیل است که IGBT ها اغلب با تقویت کننده ها برای سنتز شکل موج های پیچیده با مدولاسیون عرض پالس و فیلترهای پایین گذر استفاده می شوند. آنها همچنین برای تولید پالس های قدرت بزرگ در مناطقی مانند فیزیک ذرات و پلاسما استفاده می شوند و نقشی در وسایل مدرن مانند اتومبیل های برقی، قطارها، یخچال های با سرعت متغیر، تهویه هوا و غیره ایجاد کرده اند.

مقایسه سازه ها

ماسفت در مقابل IGBT

ساختار هر دو ترانزیستور بسیار مشابه است. وقتی نوبت به جریان الکترونی می‌رسد، یک تفاوت مهم اضافه کردن یک لایه p-substrate در زیر لایه n-substrate در IGBT است. در این لایه اضافی، سوراخ‌هایی به لایه n با مقاومت بسیار بالا تزریق می‌شود و یک سرریز حامل ایجاد می‌کند. این افزایش رسانایی در لایه n به کاهش کل ولتاژ در حالت IGBT کمک می کند. متأسفانه، جریان معکوس را نیز مسدود می کند. در نتیجه، یک دیود اضافی (که اغلب به عنوان دیود “چرخ آزاد” نامیده می شود) به موازات IGBT قرار می گیرد تا جریان را در جهت مخالف هدایت کند.

عدم وجود انتقال حامل های اقلیت به ماسفت ها اجازه می دهد تا در فرکانس های بالاتر سوئیچ کنند. با این حال، دو محدودیت وجود دارد: زمان عبور الکترون ها در منطقه رانش و زمان مورد نیاز برای شارژ/تخلیه دروازه ورودی و ظرفیت های “Miller”.

برق سوئیچینگ

کاهش در ولتاژ حالت روشن می‌تواند باعث شود که IGBT سرعت سوئیچ کندتر را در هنگام خاموش شدن تجربه کند. دلیل آن این است که در حالی که جریان الکترون را می توان به طور ناگهانی با کاهش ولتاژ گیت-امیتر زیر ولتاژ آستانه دروازه متوقف کرد (همانطور که در مورد ماسفت وجود دارد)، هنوز موضوع سوراخ هایی وجود دارد که در نواحی رانش و بدنه باقی می مانند. (هیچ اتصال ترمینالی برای حذف آنها وجود ندارد). تنها راه برای خارج کردن آنها از آنجا، جارو کردن است که به ولتاژ دستگاه و ترکیب مجدد داخلی بستگی دارد. در نتیجه، دستگاه یک جریان دم را در هنگام خاموش شدن نمایش می دهد تا زمانی که ترکیب مجدد کامل شود. این همیشه یک نقطه ضعف بزرگ برای IGBT بوده است.

پیشرفت ها

بسیاری از این حقایق مبانی تاریخی هر دو دستگاه را پوشش می دهند. پیشرفت‌ها و پیشرفت‌ها منجر به بهبود عملکرد نسبتاً قابل توجهی در طول سال‌ها برای هر دو دستگاه شده است.

ماسفت ها:

• بهبود سرعت سوئیچینگ.

• عملکرد دینامیکی بهبود یافته که به نیروی کمتری از راننده نیاز دارد.

• ظرفیت بازخورد دروازه به تخلیه کمتر

• امپدانس حرارتی کمتر که به نوبه خود اتلاف توان بسیار بهتری را ممکن کرده است

• زمان های خیز و سقوط کمتر، که امکان عملکرد در فرکانس های سوئیچینگ بالاتر را فراهم کرده است

IGBTs:

• بهبود تکنیک های تولید که منجر به کاهش هزینه شده است

• بهبود دوام در برابر بارهای اضافه

• به اشتراک گذاری جریان موازی بهبود یافته است

• شکل موج های روشن/خاموش سریعتر و روانتر

• کاهش تلفات در حالت روشن و سوئیچینگ

• امپدانس حرارتی کمتر

• ظرفیت ورودی کمتر

نتیجه

ماسفت ها و IGBT ها به سرعت جایگزین اکثریت بزرگی از دستگاه های مکانیکی و حالت جامد قدیمی می شوند. این حرکتی است که به نظر نمی رسد به این زودی ها کند شود، به خصوص با توسعه کیفیت مواد کاربید سیلیکون (SiC). دستگاه های قدرت SiC مزایایی مانند تلفات کمتر، اندازه کوچکتر و کارایی بهبود یافته را به توسعه دهندگان نشان می دهند. نوآوری هایی مانند این همچنان محدودیت های ماسفت ها و IGBT ها را به سمت برنامه های کاربردی با ولتاژ و توان بالاتر سوق می دهد. در نتیجه، معاوضه ها و همپوشانی ها احتمالاً در بسیاری از کاربردها ادامه خواهند داشت. با این حال، تجزیه و تحلیل دقیق خود دستگاه شاید منطقی ترین راه حل در هنگام مواجهه با وظیفه انتخاب ترانزیستور برای برنامه SMPS شما باشد. ■