MOSFET / IGBT

MOSFET-ek (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) és IGBT-k (Insulated-Gate Bipolar Transistor) olyan teljesítménytranzisztorok, amelyeket számos szervohajtás kimenetének vezérlésére használnak. Mindkét teljesítménytranzisztor hárompólusú teljesítmény félvezető eszköz, amelyeket elektronikus jelek kapcsolására és erősítésére használnak.

MOSFET

A MOSFET egy mezőhatású tranzisztor, amely három komponensből áll: source, drain és gate. A MOSFET úgy működik, hogy a forrás- és a lefolyócsomópontok közötti csatorna szélességét változtatja, amely mentén a töltéshordozók áramlanak. A kapun keresztül alkalmazott feszültség szabályozza a csatorna méretét, amely meghatározza a drainbe áramló áramot. A MOSFET-ek csak 2 réteg P és N típusú szubsztrátot tartalmaznak, ami az IGBT-khez képest csökkenti a feszültségkapacitásukat, de lehetővé teszi számukra a gyorsabb kapcsolási sebességek kezelését. Az újabb MOSFET-ek sokkal nagyobb feszültségeket képesek kezelni, de ez megnövekedett mérettel és költséggel jár. A MOSFET-eket a gyors kapcsolási sebességük miatt gyakran használják az autóelektronikában és a robotikában. A MOSFET-ek a feszültségtől és a kapcsolási körülményektől függően számos ipari alkalmazásban is használhatók.

IGBT

Az IGBT egy bipoláris tranzisztor, amely szintén három komponensből áll: emitter, kollektor és kapu. Az IGBT-k a bipoláris tranzisztorok nagyáramú és alacsony telítési feszültségű bemeneti képességeivel rendelkeznek a MOSFET kimeneti jellemzőivel. A MOSFET-ekkel ellentétben az IGBT-k áramvezéreltek, elektromos mező helyett mágneses mezőt és kisebbségi vivő domináns áramot termelnek. Az IGBT-k több réteg P és N szubsztrátot tartalmaznak, ami a MOSFET-hez képest nagy feszültségek kezelésének előnyét biztosítja számukra. Ezek az extra rétegek hátránya az alacsonyabb kapcsolási sebesség, azonban az IGBT-technológia újításai lehetővé tették, hogy ezek a tranzisztorok a MOSFET-hez hasonló kapcsolási sebességgel rendelkezzenek. Az IGBT-ket számos ipari és autóipari alkalmazásban használják, és általában előnyben részesítik az olyan háztartási készülékeknél, mint a légkondicionáló egységek és a hűtőszekrények. A MOSFET-ekhez hasonlóan az IGBT-k konkrét alkalmazásai a feszültségtől és a kapcsolási körülményektől függenek.

MOSFET vs. IGBT összehasonlítása

MOSFET IGBT
Építési hasonlóságok P és N típusú szubsztrátumokból áll, amelyek lehetővé teszik és szabályozzák az áram áramlást.
Építési különbségek Két réteg P és N típusú szubsztrát segíti a magas kapcsolási frekvenciát, body-drain diódát tartalmaz A P és N szubsztrát több rétege nagy vezetőképességet biztosít az IGBT-nek, nincs body drain dióda
Vezérlés Feszültséggel hajtott többségi hordozóeszközök, elektromos mezőt termel. Áramvezérelt kisebbségi hordozó eszközök, mágneses mezőt termel
Felhasználások Digitális és analóg meghajtókban egyaránt használható, mindkettőt használják a készleten lévő és az egyedi szervohajtásokban. Kis méretük lehetővé tette a kisebb szervohajtások, például a µZ sorozat kialakítását.
Interface hasonlóságok Három terminálos tranzisztorok, amelyek egy viszonylag egyszerű kapu meghajtó áramkörből állnak
Interfész különbségek Forrás, lefolyó, kapu Emitter, kollektor, kapu
Működési feszültség Tipikusan <250V >1000V-os feszültségre képes
Kapcsolási frekvencia Magas +100kHz Alacsony ~20kHz

Történelem

A MOSFET-ek 1960-as évekbeli megjelenése előtt a bipoláris tranzisztorok voltak az egyetlen igazi teljesítménytranzisztorok a piacon. Julius Lilienfeld már 1926-ban, évekkel a bipoláris tranzisztor megjelenése előtt leírt egy, a térhatású tranzisztorhoz rendkívül hasonló eszközt, de azt soha nem gyártották le, mert nem volt rá szükség az akkori fő innovációban, a telefonban. A bipoláris tranzisztorok áramvezéreltek, a bekapcsoláshoz nagy bázisáramra van szükségük, és nagymértékben felelősek a termikus elszabadulásért. A MOSFET-ek a bipoláris tranzisztorok képességeivel azonos képességekkel rendelkeznek, de a kapu terminálon lévő feszültség, nem pedig az áram vezérli őket, így sokkal kevesebb energiát használnak a bekapcsoláshoz. A MOSFET-ek sokkal kisebbek tudtak lenni, mint a bipoláris tranzisztorok, gyorsabb kapcsolási sebességgel rendelkeznek, sokkal nagyobb sűrűséget tesznek lehetővé, és minimalizálják a termikus kirohanást. A MOSFET teljesítménytranzisztorok kis mérete lehetővé tette a nagy sűrűségű integrált áramkörök, például memóriachipek és mikroprocesszorok létrehozását, amelyek forradalmasították az elektronikai ipart.

Az 1980-as években az IGBT-ket a bipoláris és a MOSFET tranzisztorok keresztezéseként vezették be. A hatékonyabb és nagyobb teljesítményű tranzisztorok iránti igény akkor merült fel, amikor a GE felkérte Bantval Baligát, hogy tegye energiatakarékosabbá a légkondicionáló berendezéseket, mivel az akkori MOSFET-ek nem voltak képesek ilyen magas feszültségen hatékonyan működni. Baliga kombinálta a bipoláris tranzisztor bemeneti jellemzőit a MOSFET kimeneti jellemzőivel, hogy olyan tranzisztort hozzon létre, amely magasabb feszültségen és hőmérsékleten is hatékonyan tudott működni, miközben energiát takarított meg.

Jövőbeni innovációk

Bantval Jayant Baliga, az IGBT feltalálója most az IGBT-k és MOSFET-ek forradalmasítását és szilícium-karbid teljesítménytranzisztorokkal való felváltását tűzte ki célul. Az Észak-Karolinai Állami Egyetemen végzett kutatásai során Baliga megállapította, hogy a szilícium-karbid több mint százszor hatékonyabbnak bizonyult, mint a MOSFET-ekben és IGBT-kben alapfelszereltségként használt szilícium. A szilícium-karbid lehetővé teszi, hogy a tranzisztorok gyorsabban kapcsoljanak és rendkívül magas hőmérsékletet bírjanak, és várhatóan rendkívül hasznos lesz az autonóm járművek gyártásában, ahol az elektronikának robusztusnak és magas hőmérsékletnek ellenállónak kell lennie. A szilícium-karbid tranzisztorok azonban jóval magasabb árcédulával rendelkeznek, mint a szilícium IGBT-k, és a legtöbb elektronikai gyártó számára még a megnövekedett energiahatékonyság és robusztusság ellenére sem bizonyultak gazdaságilag fenntarthatónak. Csak az IGBT-k a becslések szerint $25 billió forint megtakarítást eredményeztek a jobb energiahatékonyságnak köszönhetően, a szilícium-karbid tranzisztorok valószínűleg megnyitják az utat az energiafogyasztásunk csökkentése és a fosszilis tüzelőanyagok iránti igény csökkentése felé.

MOSFET / IGBT-vel kapcsolatos iparágak, technológiák és termékek...

50-50 vs. 100-0 információs doboz
50/50 vs 100/0
Termékek_Servo-Drives_custom
Egyedi és módosított szervohajtások
nagyfrekvenciás információs doboz
Magas frekvencia
Szervómeghajtások áttekintése
Szervómeghajtások áttekintése
feszültség visszajelzés információs doboz
Feszültség visszacsatolás
tachométer információs doboz
Fordulatszámmérő