ماسفت یا igbt کدام برای طراحی شما بهتر است ؟

ماسفت یا igbt

ماسفت یا igbt


امروز میخواهیم در سایت ایران پاور شما را با ویژگی های کاربردی ترانزیستورهای دو قطبی ، ماسفت و IGBT آشنا کنیم و با مقایسه های عددی عملی شما را آشنا کنیم که چه سوییچی برای کاربرد شما مناسبت تر است.

انتخاب ماسفت یا IGBT برای طرح من مناسب تر است؟

تا قبل از پیدایش ماسفت (MOSFET) ها در دهه ی 1970 ، ترانزیستورهای دو قطبی (BJT) تنها ترانزیستورهای قدرت شناخته میشدند. اگرچه ترانزیستورهای BJT یا دو قطبی مزایای بسیاری در کاربردهای فراوانی داشتند اما عملکرد آن ها بوسیله ی چندین نقطه ضعف محدود شد. 

از معایب ترانزیستورهای دو قطبی BJT میتوان به نیاز به اعمال مقدار زیادی در جریان در بیس آن ها برای روشن کردنشان اشاره کرد. همچنین ترانزیستور دو قطبی معمولا مشخصه ای دارد که سبب میشود خاموش شدن آن ها با سرعت کمی صورت پذیرد. از سوی دیگر ترانزیستور دو قطبی به دلیل ضریب دمای منفی ای که دارد نسبت به تغییرات دما حساس است. علاوه بر آن ، حداقل ولتاژ لازم برای روشن شدن یا تلفات هدایتی نیز با پارامتری به نام ولتاژ کلکتور-امیتر اشباع کنترل میشود.(VCE (SAT))

ماسفت »

در مقابل ، ماسفت یا MOSFET سوئیچ قدرتی است که توسط ولتاژ کنترل می شود و نه جریان. ماسفت ضریب دمایی مثبت داشته و حساسیت افزایش دما در آن مانند ترانزیستور دو قطبی نیست یعنی با افزایش دما در ماسفت مقاومت آن افزایش یافته و بنابراین جریان کمتری عبور خواهد کرد . روشن شدن ماسفت محدودیت های تئوری ترانزیستور دو قطبی را نداشته و بنابراین تلفات روشن شدن در آن بسیار کمتر از ترانزیستور دو قطبی است.ماسفت ها MOSFETs همچنین دارای یک دیود ذاتی بدنه نیز هستند که در کاربردهایی که جریان گردشی نیاز است بسیار مفید میتواند باشد(free-wheeling)

همچنین بخوانید » محاسبات هسته فریت و هرآنچه لازم است راجب هسته فریت بدانید

به دلیل مزایای بالا ماسفت ها به سرعت در طراحی ها خصوصا طراحی های قدرت جای خود را به ترانزیستور های دو قطبی دادند.

معرفی IGBT »

در دهه ی 1980 ترانزیستورهای دو قطبی با گیت ایزوله یا insulated-gate bipolar transistor (IGBT)  ارائه شدند. این سوئیچ ها میتوان گفت پلی بین ماسفت ها و ترانزیستورهای دو قطبی بودند. IGBT ها مشخصه ی سوییچ زنی خروجی و هدایتیشان مانند یک ترانزیستور دو قطبی است اما مانند ماسفت ها از طریق ولتاژ کنترل میشوند. میتوان گفت ظهور IGBT قابلیت جریان بالای ترانزیستورهای دو قطبی را با خاصیت کنترلی ماسفت ها ترکیب کرد.

جریان دنباله »

متأسفانه ، IGBT هنوز دارای معایبی مانند جریان دنباله ی نسبتاً بزرگ و نبود دیود تخلیه بدنه است.جریان دنباله یا Tail Current در شکل زیر مشخص شده است.این جریان جریانی است که از IGBT میگذرد هنگامی که ولتاژ کلکتور-امیتر در دو سر سوئیچ اعمال شده و باید سوئیچ خاموش باشد.

 

جریان دنباله در IGBT ها

جریان دنباله در IGBT ها

نسخه های اولیه IGBT نیز مستعد قفل شدن(latch up) بودند ، اما این عیب تا حد زیادی حذف شده است. خطر احتمالی دیگر در برخی از انواع IGBT ضریب دمای منفی است که می تواند منجر به کاهش مقاومت و افزایش جریان در هنگام افزایش دما شود.که این موضوع استفاده ی موازی از IGBT ها را کمی سخت میکند.

همچنین بخوانید » ضریب توان چیست و چرا اصلاح ضریب توان انجام میدهیم؟بخش اول

در حال حاضر ، این مشکل در آخرین نسل های IGBT که مبتنی بر فناوری غیر پانچ (NPT,non-punch-through) هستند ، برطرف شده است.این توسعه همان ساختار اولیه IGBT را حفظ می کند ، اما این محصول بر پایه سیلیکون پراکنده شده به صورت فله ای استوار است ، نه ماده اپیلاکسی(epitaxial ) که هم IGBT و هم MOSFET ها از ابتدا از آن استفاده کرده اند.

مدار معادل igbt

مدار معادل igbt

ساختار IGBT و ماسفت

ساختار IGBT و ماسفت

به طور کلی میتوان گفت IGBT ها انتخاب مناسبی برای کاربردهایی تا 1200 ولت هستند و ماسفت ها نیز برای کمتر از 300 ولت مناسب است.اگرچه برخی امروزه با معرفی برخی نسل های جدید ماسفت این ولتاژ به مقدار زیادی ارتقا یافته است اما هنوز از نظر اقتصادی بسیار گران به نظر میرسند.

کاربرد IGBT »

همچنین IGBT ها برای کاربردهایی با دیوتی سایکل کم ، فرکانس سوئیچ زنی پایین(کمتر از 25 کیلو هرتز) . آنها همچنین در کاربردهایی که ولتاژ بالا (> 1000 ولت) ، درجه حرارت اتصال یا جانکشن مجاز (> 100 درجه سانتیگراد) و قدرت خروجی بالا (> 5 کیلو وات) نیاز دارند ، سوئیچ مناسب به نظر میرسد.

برخی از کاربردهای معمول IGBT شامل کنترل موتور در مواردی است که فرکانس کاری کم تر از 20 کیلوهرتز باشد و حفاظت از حد اتصال کوتاه / یا محدود کردن جریان هجومی مورد نیاز است. منبع تغذیه بدون وقفه یا UPS ها با بار ثابت و به طور معمول با فرکانس پایین. جوشکاری ، که به جریان متوسط و فرکانس پایین (<50 کیلوهرتز) نیاز دارد ؛ مدارهای سوئیچ زنی در ولتاژ صفر (ZVS) ؛ و روشنایی کم مصرف با عملکرد در فرکانسهای پایین (<100 کیلوهرتز).

فرکانس کاری و ولتاژ

فرکانس کاری و ولتاژ

کاربردهای ماسفت MOSFET »

ماسفت ها در هدف های کاربردی با کارایی با فرکانس بالا (> 50کیلوهرتز) ، تغییرات گسترده خط یا بار ، چرخه های کار  یا دیوتی سایکل های بزرگ، کاربردهای ولتاژ کم (<300ولت) و توان خروجی پایین تر (<700 وات) ترجیح داده می شوند.

کاربردهای معمول MOSFET شامل منابع تغذیه سوییچینگ با استفاده از سوئیچینگ سخت بالاتر از 200 کیلوهرتز یا عملکرد ZVS زیر 1000 W. و شارژ باتری یکی دیگر از موارد معمول استفاده از ماسفت است.

همچنین بخوانید » سوئیچ زنی نرم zvs و zcs چیست ؟

هدف دیگر این مقاله بررسی “منطقه متقاطع” است که شامل برنامه هایی است که بیش از 250 ولت کار می کنند ، بین 10 تا 200 کیلوهرتز سوئیچ می شوند و سطح توان بالاتر از 500 وات است.در این موارد ، انتخاب نهایی ترانزیستور براساس فاکتورهای دیگری مانند امپدانس حرارتی ، توپولوژی مدار ، عملکرد هدایت و بسته بندی سوییچ انجام می شود. مدار تصحیح ضریب توان یا PFC به صورت سوئیچ زنی ولتاژ صفر یا ZVS یک نمونه از کاربردهایی است که در منطقه متقاطع بین IGBT و MOSFET قرار می گیرد.

مقایسه تلفات در کاربرد اصلاح ضریب توان » ماسفت یا IGBT

در این مقایسه به منظور انجام مقایسه ای عادلانه دو نوع مشابه از ماسفت و IGBT را میخواهیم در کاربرد اصلاح ضریب توان از نظر تلفاتی با یکدیگر مقایسه کنیم. ماسفت انتخابی ما از نوع IRFP460 و IGBT استفاده شده نیز IRG4PC40W  است.شکل زیر مقایسه ی تلفاتی این دو را در این کاربرد نشان میدهد.

مقایسه تلفات ماسفت و IGBT در کاربرد اصلاح ضریب توان با دو فرکانس 50 و 100 کیلوهرتز

مقایسه تلفات ماسفت و IGBT در کاربرد اصلاح ضریب توان با دو فرکانس 50 و 100 کیلوهرتز

 

هنگامی که اصلاح ضریب توان از سوئیچینگ ولتاژ صفر یا ZVS استفاده می کند ، نتایج با توجه به دمای کار متفاوت است. با سوئیچینگ 50 کیلوهرتز و خروجی 500 وات ، تلفات IGBT 9.5 وات بوده وبیشتر از تلفات MOSFET  با 7 وات در دمای اتاق است.

همچنین بخوانید » سوئیچ زنی نرم در مبدل DC به DC افزاینده (بوست)

اثر افزایش دما »

هنگامی که دما در حین عمل کردن مدار درشرایط عملیاتی افزایش یابد ، تلفات هدایت MOSFET با سرعت بیشتری نسبت به تلفات سوئیچینگ IGBT افزایش می یابد. تلفات در دمای بالا 60٪ برای MOSFET افزایش می یابد ، در حالی که کل تلفات IGBT فقط 20٪ افزایش می یابد. در 300 وات ، این باعث می شود تلفات در حالت ZVS تقریباً برابر باشد. و در 500 وات با عملکرد ZVS ، مزیت راندمان قطعا با IGBT است.

تلفات در حالت سوییچ زنی در ولتاژ صفر

تلفات در حالت سوییچ زنی در ولتاژ صفر

اگر توان خروجی 500 وات باقی بماند و فرکانس سوئیچینگ در دمای بالاتر به 134 کیلوهرتز برسد ، IGBT تلفات کمی بدتر (25.2 وات) نسبت به MOSFET (23.9 وات) را نشان می دهد. اگر اندازه گیری های مشابه در دمای اتاق انجام شود ، تلفات به ترتیب 17.8 و 15.1 وات است. افزایش تلفات سوئیچینگ در فرکانس بالاتر این مزیت را که IGBT در دمای بالا داشت هنگام فرکانس سوئیچینگ کمتر بود از بین می برد.

جمع بندی » ماسفت یا IGBT ؟

این مثال ها نشان می دهد که هیچ قانون از پیش نوشته شده ای وجود ندارد که بتوان از آن برای تعیین اینکه کدام سوییچ بهترین عملکرد را در یک نوع خاص مدار ارائه می دهد ، استفاده کرد. انتخاب IGBT یا MOSFET بسته به میزان دقیق توان، کاربردهای در نظر گرفته شده و جدیدترین فناوری موجود برای هر نوع ترانزیستور ، از کاربردی به کاربرد دیگر متفاوت خواهد بو.دبه عنوان مثال ، منبع تغذیه ای که در دمای اتاق با بار اسمی و ولتاژ خط کار می کند باعث می شود MOSFET از IGBT بهتر باشد.اگر منبع تغذیه در حداکثر دمای مورد ، حداکثر بار و حداقل ولتاژ خط کار شود ، IGBT بهتر به نظر می رسد.

همچنین بخوانید » یکسوساز پل دیودی

.در حال حاضر ، برخی از جدیدترین IGBT ها می توانند عملکرد رقابتی و مزایای هزینه ای را در کاربرد ZVS PFC در 1000 W و بالاتر ارائه دهند و با فرکانس های 100 سوئیچ هرتز و بالاتر کار کنند. با این وجود ، در همه کاربردهای دیگر منابع تغذیه ، MOSFET همچنان به سلطنت عالی ادامه می دهد.

به نظر می رسد این تصور در سراسر صنعت ما وجود دارد که MOSFET یک رده محصول بالغ است که عملکرد قابل توجهی در کاربردهای مختلف ارائه نمی دهد ، در حالی که IGBT یک فناوری جدید است که جایگزین MOSFET در تمام برنامه های بالای 300 ولت می شود. چنین تعمیم هایی قطعا درست نیستند.

آموزش ها

bjtigbtmosfetآی جی بی تیترانزیستوردو قطبیماسفت

دیدگاهتان را بنویسید