MOSFET mot IGBT

I världen av kraftelektronik är det mycket viktigt att välja den högra halvledarenheten för att förbättra prestandan, effektiviteten och tillförlitligheten hos elektroniska system.Två populära alternativ är kiselisolerade grindbipolära transistorer (Si IGBT) och kiselkarbid metall-oxid-sememeduktorfälteffekttransistorer (SIC MOSFET).Var och en av dessa enheter har unika funktioner och fördelar, vilket gör dem lämpliga för olika användningsområden.Den här artikeln kommer att förklara de viktigaste skillnaderna mellan Si Igbts och SIC MOSFETS, diskutera deras egenskaper, fördelar, nackdelar och hur de påverkar invertertekniken, särskilt i motordrivningssystem.Genom att förstå dessa skillnader kan ingenjörer och designers fatta bättre beslut för att förbättra sina kraftelektronikprojekt.

Katalog

Bild 1: MOSFET mot IGBT

Förstå Si Igbts och Sic MOSFETS

Sic Mosfets

Kiselkarbid metalloxid-sememiconductor-fälteffekttransistorer (SIC MOSFET) fungerar genom att kontrollera spänningen som appliceras på deras grindterminal.En av de viktigaste fördelarna med SIC MOSFETS är deras starka motstånd mot termisk språng, ett tillstånd där en ökning av temperaturen leder till ytterligare temperaturökningar, vilket potentiellt orsakar enhetsfel.Detta motstånd beror till stor del på den bättre värmeledningsförmågan hos kiselkarbid (SIC) jämfört med regelbundet kisel.Den höga värmeledningsförmågan hos SIC säkerställer effektiv värmeavledning på enhetsnivå och håller stabila driftstemperaturer även under höga effektförhållanden.

Denna förmåga att hantera värme är mycket viktig i miljöer med höga temperaturer, till exempel de som finns i bilar och industriella miljöer.I dessa situationer är pålitligheten och effektiviteten hos elektroniska delar mycket viktiga och SIC MOSFETS ger en stark lösning.Deras förmåga att upprätthålla prestanda och förhindra överhettning under tuffa förhållanden gör dem mycket önskvärda för kraftelektronik, där hantering av värme är ett stort problem.

Si igbts

Silikonisolerad bipolära transistorer (Si IGBT) är halvledarenheter som kontrolleras av ström, som fungerar genom att applicera en ström på grindterminalen.Dessa transistorer används ofta i applikationer som omvandlar likström (DC) till växelström (AC), särskilt i motoriska enheter.Attraktionen hos Si IGBT: er är deras förmåga att hantera höga strömmar effektivt.De erbjuder också snabba växlingshastigheter, vilket är mycket viktigt för applikationer som behöver snabb och exakt kraftkontroll.

Beträffande elektriska egenskaper har Si IGBT: er en högspänningsgradering, vilket gör att de kan arbeta säkert under högspänningsförhållanden.De har också en lågspänningsfall över enheten när de leder ström, vilket leder till lägre effektförluster och bättre effektivitet.Dessutom har Si IGBT: er förluster med låg konduktans, vilket innebär att de använder mindre kraft när transistorn är i "ON" -staten och förbättrar systemets totala prestanda.

Dessa egenskaper gör att SI IGBT: er är särskilt lämpliga för högeffektmotordrivna applikationer, till exempel de i tillverkningssystem.Deras starka prestanda i dessa tuffa miljöer beror på deras förmåga att byta stora strömmar och spänningar effektivt, vilket gör dem till ett prisvärt och pålitligt val för att kontrollera motorer med hög effekt.

Inverterare och deras påverkan på motordrivningssystem

Bild 2: Inverterare och deras påverkan på motordrivningssystem

I Motor Drive -applikationer spelar inverterare en viktig roll i att ändra likström (DC) från batterisystem till växelström (AC), som elmotorer behöver köra.Denna förändring är mycket nödvändig för elfordon, där stora batteripaket ger DC -effekten som behövs.Inverterare hanterar många viktiga delar av motorprestanda, inklusive hastighet, vridmoment, kraft och effektivitet.De hjälper också till med regenerativ bromsning, som är en funktion som fångar energi under bromsning och skickar tillbaka den i batteriet, vilket gör hela systemet mer energieffektivt.

Den typ av inverterare som används påverkar kraftigt hur väl motordrivningssystemet fungerar.Historiskt sett har två typer av inverterare använts i stor utsträckning: kiselisolerade grindbipolära transistorer (Si IgbTs) och kiselkarbid metall-oxid-sememeduktorfälteffekttransistorer (SIC MOSFETS).

Si IGBT: er har varit standardvalet eftersom de är pålitliga och tillverkningsprocesserna för dem är väl etablerade.SIC MOSFETS blir dock mer populära eftersom de presterar bättre.SIC MOSFET: er har lägre växlingsförluster, bättre värmeledningsförmåga och kan arbeta vid högre frekvenser och temperaturer jämfört med Si Igbts.Dessa fördelar leder till bättre effektivitet, mindre behov av kylning och förmågan att designa mindre och lättare motordrivningssystem.

Till att börja med begränsade de höga kostnaderna för SIC MOSFETS till avancerade eller speciella applikationer.Förbättringar inom tillverkningsteknologi och massproduktion har emellertid minskat kostnaden för SIC -enheter, vilket gör dem till ett praktiskt och attraktivt alternativ för ett bredare utbud av motordrivna applikationer.Denna kostnadsminskning, tillsammans med deras prestationsfördelar, har lett till mer användning av SIC MOSFET: er i olika branscher, inklusive bil-, industriella automatisering och förnybar energisektorer.

Fördelar och nackdelar med Si Igbts och Sic MOSFETS

Si IGBTS (kiselisolerad grindbipolär transistorer)

Silikonisolerade grindbipolära transistorer (Si IGBT) används allmänt i högeffektiska tillämpningar på grund av deras starka prestanda.Här är en detaljerad titt på deras fördelar och nackdelar:

• Fördelar med Si Igbts

Hanterar stora strömmar väl: Si IGBT: er är mycket bra på att hantera stora strömmar effektivt.Detta gör dem till ett bra val för applikationer som behöver hantera stora kraftbelastningar, till exempel industriella maskiner och elfordon.

Snabb omkopplingshastighet: SI IGBTS kan slå på och av snabbt, vilket förbättrar deras prestanda i system som behöver snabba förändringar i nuvarande flöde.Denna snabba växlingsförmåga är användbar för applikationer som kräver snabba förändringar, vilket leder till bättre lyhördhet och prestanda.

Låg kostnad: Produktionsprocessen för SI IGBTS är mogen och väl etablerad, vilket resulterar i lägre produktionskostnader.Denna kostnadsfördel gör SI IGBTS till ett budgetvänligt val för många högeffektiva applikationer, vilket håller de totala systemkostnaderna nere.

Kan hantera höga spänningar: SI IGBT: er tål höga spänningar, vilket gör dem lämpliga för applikationer som arbetar vid högspänningsnivåer.Denna förmåga är särskilt användbar vid kraftöverförings- och distributionssystem där högspänningsuthållighet behövs.

Låg energiförlust: Si IGBT: er har minimal spänningsfall och konduktansförluster vid genomförande av ström.Denna effektivitet översätter till minskad energiförlust och förbättrad total systemprestanda, vilket är bra för att upprätthålla hög effektivitet i effektkänsliga applikationer.

• Nackdelar med Si Igbts

Benägen att överhettas: I applikationer med hög effekt, såsom de i elektriska fordon eller industriella system, kan SI IGBT: er överhettas.Denna överhettning kan leda till termisk språng, ett tillstånd där stigande temperatur orsakar ytterligare temperaturökningar, vilket potentiellt kan leda till enhetsfel.Denna risk för termiska problem utgör ett tillförlitlighetsproblem i situationer med hög effekt.

Långsammare avstängningstider: Jämfört med några nyare halvledarenheter tar SI IGBT: er längre tid att stänga av.Denna långsammare avstängning kan begränsa deras effektivitet i applikationer som behöver mycket snabb växling, till exempel högfrekventa inverterare eller avancerade motorstyrningssystem.Den långsammare avstängningstiden kan leda till ökade växlingsförluster och minskade den totala effektiviteten i sådana applikationer.

SIC MOSFETS (Silicon Carbide Metal-oxid-Semiconductor Field-Effect Transistors)

I motordrivna applikationer är det att välja mellan kiselisolerade grindbipolära transistorer (SI IGBT) och kiselkarbid metall-oxid-semiconductor-fälteffekttransistorer (SIC MOSFET) påverkar systemets prestanda och effektivitet.Att förstå för- och nackdelarna med SIC MOSFETS hjälper till att förklara varför de blir ett populärt val i många högpresterande applikationer trots vissa utmaningar.

• Fördelar med SIC MOSFETS

Högre effektivitet: SIC MOSFETS har lägre ledning och växlingsförluster jämfört med Si Igbts.Denna förbättrade effektivitet minskar energiförbrukningen och ökar den totala prestandan för motordrivningssystemet.Lägre förluster innebär att mindre energi slösas bort som värme, vilket leder till effektivare kraftanvändning.

Bättre värmehantering: Kiselkarbid utför värmen bättre än kisel.Detta gör att SIC MOSFETS kan hantera värme mer effektivt och hålla upp sin prestanda och tillförlitlighet även under högeffekt.Bättre värmehantering minskar behovet av omfattande kylsystem, gör design enklare och sänker kostnader.

Snabbare växling: SIC MOSFETS kan arbeta med mycket högre växlingsfrekvenser än Si Igbts.Snabbare växling möjliggör mer exakt kontroll av motorn och kan förbättra prestanda i applikationer som behöver snabbomkoppling.Detta är särskilt användbart i elfordonsdrivna och industriell motorstyrning, där effektivitet och snabba responstider är mycket viktiga.

Högre spänningshantering: SIC MOSFETS kan hantera högre spänningar än Si Igbts, vilket gör dem lämpliga för högspänningsapplikationer.Denna högre spänningsolerans är användbar i kraftnätgränssnitt och högeffekt industriella enheter, där stark spänningshantering behövs.

Mindre storlek: På grund av deras bättre effektivitets- och värmeegenskaper kan SIC MOSFET: er göras mindre än deras kisel motsvarigheter.Denna storleksminskning är bra för att skapa mer kompakta och lätta system, vilket är särskilt värdefullt i applikationer som elektriska fordon, där spara utrymme och vikt är mycket viktigt.

• Nackdelar med SIC MOSFETS

Högre kostnad: Att göra Sic MOSFET: er är mer komplexa och dyra än att göra Si Igbts.Denna högre produktionskostnad leder till ett högre inköpspris, vilket kan vara en barriär, särskilt i kostnadskänsliga applikationer.Men när tillverkningen förbättras och större mängder produceras minskar dessa kostnader gradvis.

Begränsad marknadsanvändning: Som en nyare teknik har SIC MOSFETS ännu inte antagits lika mycket som Si Igbts.Denna begränsade användning kan resultera i färre tillgängliga komponenter och mindre stöd, vilket gör det svårare för ingenjörer att hitta delar och få teknisk hjälp.Med tiden, när SIC -tekniken blir vanligare, förväntas denna begränsning minska.

Komplexa drivbehov: SIC MOSFETS behöver ofta mer avancerade drivkretsar jämfört med Si Igbts.Komplexiteten i denna drivkretsar kan komplicera den övergripande systemdesignen och eventuellt öka utvecklingskostnaderna.Ingenjörer måste noggrant utforma och implementera dessa kretsar för att fullt ut dra nytta av SIC -teknik.

Förbättrad inverterteknologi med SIC MOSFETS

Bild 3: Jämförelse av kraftskåp SI -lösning kontra SIC -lösning för motordrivande inverterare

Silicon Carbide MOSFETS (SIC MOSFETS) har förbättrat invertertekniken kraftigt i motordrivningssystem, vilket erbjuder många fördelar jämfört med kiselisolerade grindbipolära transistorer (SI IGBT).SIC MOSFETS kan arbeta med mycket högre växlingshastigheter på grund av deras lägre omkopplingsförluster, vilket möjliggör mer exakt kontroll av motorvarvtal och vridmoment.De hanterar också värmen bättre, vilket innebär att de blir av med värme mer effektivt och minskar behovet av stora kylsystem.Detta leder till mindre och lättare inverterkonstruktioner, vilket är särskilt bra för elfordon.

SIC MOSFETS kan också arbeta vid högre temperaturer, vilket ökar tillförlitligheten och livslängden för motordrivningssystem under tuffa förhållanden.Medan SI IGBT: er fortfarande kan användas i billigare applikationer eller där höga växlingshastigheter och värmehantering är mindre oroande, är effektiviteten, bättre värmehantering och högre prestanda för SIC MOSFETS dem perfekta för högpresterande och pålitliga motordrivna applikationer,inklusive elfordon och industriell automatisering.

Huvudskillnader mellan IGBT och MOSFETS

Parameter	Igbt	Mosfet
Spänningsområde	600V till 6500V (vanliga högspänningsapplikationer)	20V till 1000V (Vanliga applikationer med låg till medelstora spänningar)
Typiska applikationer	Högspänning, högströmmapplikationer, t.ex. kraftnät, industri motorer och inverterare	Applikationer med låg till medelstora spänningar, t.ex. strömförsörjning, ljud förstärkare och motorstyrare
Spänningsfall i tillståndet (vCes eller VDs)	Högre spänningsfall, vanligtvis 2V till 4V	Nedre spänningsfall, vanligtvis 0,1V till 1V
Växlingshastighet	Långsammare växlingshastighet (mer lämplig för lägre frekvens applikationer)	Snabbare omkopplingshastighet (mer lämplig för högfrekvensapplikationer)
Ledningsförluster	Högre på grund av bipolär natur och högre spänningsfall	Lägre på grund av unipolär natur och nedre spänningsfall
Byteförluster	Högre på grund av långsammare växlingshastighet	Lägre på grund av snabbare växlingshastighet
Termisk stabilitet	Bättre termisk prestanda vid högre effektnivåer	Begränsad termisk prestanda jämfört med IGBTS
Kontrollkomplexitet	Enklare grinddrivningskrav, vanligtvis spänningsstyrd	Kräver mer komplexa grinddrivkretsar, vanligtvis strömkontrollerad
Robusthet	Generellt bättre kortslutning tål kapacitet	Vanligtvis lägre kortslutning tål kapacitet
Kosta	Generellt högre för motsvarande spänningsgraderingar	Generellt lägre för motsvarande spänningsgraderingar

Typ av enhet

Bild 4: Typ av enhet - MOSFET- och IGBT -symboljämförelse

IGBT: er (isolerade grindbipolära transistorer) är en blandning av MOSFET: er (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer) och bipolära transistorer.De har en spänningsstyrd grind som MOSFETS, vilket gör det enkelt att byta.De har också bipolär-liknande strömbärande förmåga, vilket gör att de kan hantera höga effektnivåer.MOSFETS är däremot endast spänningsstyrda transistorer.Strömflödet mellan deras källa och dräneringsterminaler styrs av spänningen som appliceras på grinden.

Spänningsgrad

Bild 5: Drain/samlarspänning Vs.Nuvarande för MOSFET och IGBT

För spänningsgradering är IGBTS bättre för högspänningsanvändning, allt från hundratals till tusentals volt.Detta gör dem lämpliga för högeffektiska applikationer som motordrivare och kraftinverterare.MOSFETS används vanligtvis i lägre till medelstora spänningsapplikationer, allt från tiotals till hundratals volt, som är vanliga i elektroniska växlingskretsar och spänningsregulatorer.

Aktuell hantering

Figur 6: VD-ID-egenskaper vid 25 ° C och 150 ° C för MOSFET och IGBT

När det gäller aktuell hantering är IGBT: er bra för höga nuvarande applikationer på grund av deras bipolära strömbärande kapacitet.Detta gör dem användbara i högeffektiva inställningar.MOSFETS används emellertid vanligtvis för lägre till måttliga nuvarande applikationer, där hög effektivitet och snabb omkoppling behövs.

Växlingshastighet

Att byta hastighet är en annan stor skillnad.IGBT: er växlar långsammare än MOSFETS, vilket är bra för applikationer där snabb omkoppling inte behövs.Å andra sidan tillverkas MOSFETS för högfrekventa användning, vilket erbjuder snabbare växlingshastigheter.Detta gör dem lämpliga för applikationer som strömförsörjning och omvandlare som behöver snabb och effektiv växling.

Effektivitet

Effektiviteten varierar mellan IGBT: er och MOSFETS baserat på spänning och strömnivåer.IGBT: er har lägre ledningsförluster vid höga spänningar och strömmar, vilket gör dem mer effektiva i högeffekt.MOSFETS är emellertid mer effektiva vid låga spänningar och strömmar på grund av deras låga motståndskraft och snabba växlingsfunktioner.

Ansökningar

Bild 7: MOSFETs grundläggande struktur vs.IGBTs grundläggande struktur

Användningen av dessa enheter återspeglar deras styrkor.IGBT: er används ofta i högeffektiska situationer som motordrivare, kraftomvandlare och induktionsvärmesystem på grund av deras förmåga att hantera högspänning och ström.MOSFET: er är bättre för applikationer som prioriterar snabb omkoppling och effektivitet vid lägre effektnivåer, såsom elektroniska växlingskretsar och spänningsregulatorer.

GATE DRIVE KRAV

Slutligen skiljer sig gate -drivkraven mellan IGBT: er och MOSFET: er.IGBT: er behöver en positiv spänning på grinden relativt emitteren för att slå på och stänga av genom att minska grindspänningen.MOSFETS behöver emellertid en positiv spänning på grinden relativt källan för att både slå på och av, vilket gör att deras grind kör enklare och mer enkel.

Slutsats

Både SI IGBTS och SIC MOSFETS har unika styrkor som passar olika högeffektiva applikationer.Si IGBT: er är bra på att hantera stora strömmar och höga spänningar och är billigare att producera, vilket gör dem pålitliga för traditionella användningsområden som industriella motorer och kraftnät.De kan emellertid överhettas och växla långsammare, vilket kan vara ett problem i höghastighets- eller mycket heta miljöer.

Å andra sidan hanterar SIC MOSFETS värme bättre, växlar snabbare och är mer effektiva, vilket gör dem till en favorit för moderna användningar som elbilar och högpresterande industrisystem.Även om de kostar mer till en början och behöver mer komplexa drivkretsar, minskar pågående förbättringar av SIC -teknik dessa problem, vilket leder till större användning.

Valet mellan Si Igbts och SIC MOSFETS beror på applikationens specifika behov, såsom spänning och strömnivåer, växlingshastighet och värmehantering.Genom att använda styrkorna för varje enhet kan ingenjörer designa och bygga bättre kraft elektroniska system, driva förbättringar och effektivitet inom olika teknikområden.

Vanliga frågor [FAQ]

1. Vilket är bättre IGBT eller MOSFET?

Valet mellan IGBT och MOSFET beror på vad du behöver det för.MOSFET: er är i allmänhet bättre för uppgifter med låg till medelstora effekt som behöver snabba växlingshastigheter och god värmehantering.De är bra för saker som kraftförsörjning och motorstyrare.IGBT: er är å andra sidan bättre för högeffektuppgifter eftersom de kan hantera större strömmar och högre spänningar, vilket gör dem idealiska för industriella motorer och kraftinverterare.

2. Kan IGBT ersätta MOSFET?

Ibland kan IGBT: er ersätta MOSFET: er, särskilt i högeffektuppgifter där hantering av stora strömmar och spänningar är mycket nödvändiga.Eftersom IGBT: er växlar långsammare och hanterar värmen annorlunda, kanske de inte är bra för uppgifter som behöver mycket snabb växling och låg effektförlust, där MOSFET: er är bättre.

3. Hur vet jag om jag har IGBT eller MOSFET?

För att ta reda på om du har en IGBT eller MOSFET, kontrollera artikelnumret och detaljer från tillverkaren.Datablad berättar om enheten är en IGBT eller en MOSFET.De kan se lika ut, så du måste kontrollera dokumentationen eller markeringarna på komponenten.

4. Vilken är den snabbaste växlingsenheten IGBT eller MOSFET?

MOSFET: er är i allmänhet de snabbaste växlingsenheterna jämfört med IGBT: er.De kan växla med mycket högre hastigheter, vilket gör dem lämpliga för uppgifter som behöver snabbomkoppling, som i strömförsörjning och högfrekventa växelriktare.

5. Hur vet jag om jag har IGBT eller MOSFET?

Du kan ta reda på om du har en IGBT eller MOSFET genom att titta på komponentens markeringar och jämföra dem med datablad eller skapare av tillverkare.Dessa dokument ger detaljerad information om typen av halvledarenhet, inklusive om det är en IGBT eller en MOSFET.