MOSFET vs. IGBT

No mundo dos eletrônicos de energia, escolher o dispositivo semicondutor certo é muito importante para melhorar o desempenho, a eficiência e a confiabilidade dos sistemas eletrônicos.Duas opções populares são transistores bipolares de portão isolados de silício (SI IGBTS) e transistores de efeito de campo de óxido de metal-óxido de carboneto de silício (MOSFETs SIC).Cada um desses dispositivos possui recursos e benefícios exclusivos, tornando -os adequados para usos diferentes.Este artigo explicará as principais diferenças entre o SI IGBTS e o SIC MOSFETS, discutindo suas características, prós, contras e como eles afetam a tecnologia do inversor, especialmente em sistemas de acionamento de motor.Ao entender essas diferenças, engenheiros e designers podem tomar melhores decisões para melhorar seus projetos de eletrônicos de energia.

Catálogo

Figura 1: MOSFET vs. IGBT

Compreendendo o Si Igbts e o SIC MOSFETS

Sic MOSFETS

Os transistores de efeito de campo de óxido de óxido de metal-óxido de carboneto de silício (MOSFETS SIC) funcionam controlando a tensão aplicada ao seu terminal de portão.Um dos principais benefícios dos MOSFETs do SiC é sua forte resistência ao fugitivo térmico, uma condição em que um aumento na temperatura leva a aumentos adicionais de temperatura, potencialmente causando falha no dispositivo.Essa resistência se deve em grande parte à melhor condutividade térmica do carboneto de silício (SIC) em comparação com o silício regular.A alta condutividade térmica do SiC garante dissipação efetiva de calor no nível do dispositivo, mantendo as temperaturas operacionais estáveis, mesmo sob condições de alta potência.

Essa capacidade de gerenciar o calor é muito importante em ambientes com altas temperaturas, como as encontradas em carros e ambientes industriais.Nessas situações, a confiabilidade e a eficiência das peças eletrônicas são muito importantes e os MOSFETs do SiC fornecem uma solução forte.Sua capacidade de manter o desempenho e evitar superaquecimento em condições difíceis os torna altamente desejáveis ​​para a eletrônica de energia, onde o gerenciamento de calor é uma grande preocupação.

Si igbts

Os transistores bipolares isolados de silício (SI IGBTS) são dispositivos semicondutores controlados pela corrente, que funcionam aplicando uma corrente ao terminal do portão.Esses transistores são comumente usados ​​em aplicações que convertem corrente direta (CC) em corrente alternada (CA), especialmente em acionamentos de motor.A atração dos IGBTs SI é sua capacidade de lidar com correntes altas de maneira eficaz.Eles também oferecem velocidades rápidas de comutação, o que é muito importante para aplicativos que precisam de controle de energia rápido e preciso.

Em relação às características elétricas, os IGBTs Si têm uma classificação de alta tensão, permitindo que eles operem com segurança sob condições de alta tensão.Eles também têm uma queda de baixa tensão no dispositivo ao conduzir corrente, o que leva a menores perdas de energia e melhor eficiência.Além disso, o SI IGBTS tem baixas perdas de condutância, o que significa que eles usam menos energia quando o transistor está no estado 'on', melhorando o desempenho geral do sistema.

Essas qualidades tornam o SI IGBTS especialmente adequado para aplicações de acionamento de motor de alta potência, como as dos sistemas de fabricação.Seu forte desempenho nesses ambientes difíceis se deve à sua capacidade de mudar de maneira eficaz de grandes correntes e tensões, tornando-as uma escolha acessível e confiável para controlar motores de alta potência.

Inversores e seu impacto nos sistemas de acionamento de motor

Figura 2: inversores e seu impacto nos sistemas de acionamento de motor

Em aplicações de acionamento de motor, os inversores desempenham um papel importante na alteração da corrente direta (CC) dos sistemas de bateria para a corrente alternada (AC), que os motores elétricos precisam executar.Essa alteração é muito necessária para os veículos elétricos, onde as baterias grandes fornecem a energia CC necessária.Os inversores lidam com muitas partes importantes do desempenho do motor, incluindo velocidade, torque, potência e eficiência.Eles também ajudam na frenagem regenerativa, que é um recurso que captura energia durante a frenagem e o envia de volta à bateria, tornando todo o sistema mais eficiente em termos de energia.

O tipo de inversor usado afeta muito o desempenho do sistema de acionamento de motor.Historicamente, dois tipos de inversores têm sido amplamente utilizados: transistores bipolares de portão isolados de silício (SI IGBTS) e transistores de efeito de campo de óxido de óxido de metal-óxido de silício (MOSFETS SIC).

O SI IGBTS tem sido a escolha padrão porque são confiáveis ​​e os processos de fabricação para eles estão bem estabelecidos.No entanto, os MOSFETs do SIC estão se tornando mais populares porque têm melhor desempenho.Os MOSFETs do SiC têm perdas de comutação mais baixas, melhor condutividade térmica e podem trabalhar em frequências e temperaturas mais altas em comparação com o SI IGBTS.Essas vantagens levam a uma melhor eficiência, menos necessidade de resfriamento e a capacidade de projetar sistemas de acionamento de motor menores e mais leves.

A princípio, o alto custo do SiC MOSFETS limitou seu uso a aplicações de ponta ou de ponta.No entanto, as melhorias na tecnologia de fabricação e na produção em massa reduziram bastante o custo dos dispositivos SiC, tornando -os uma opção prática e atraente para uma gama mais ampla de aplicações de acionamento de motor.Essa redução de custos, juntamente com seus benefícios de desempenho, levou a um maior uso de MOSFETs SIC em vários setores, incluindo setores automotivo, de automação industrial e energia renovável.

Vantagens e desvantagens de Si Igbts e SiC MOSFETS

Si Igbts (transistores bipolares de portão isolados de silício)

Os transistores bipolares de porta isolados de silício (SI IGBTs) são amplamente utilizados em aplicações de alta potência devido às suas fortes características de desempenho.Aqui está uma visão detalhada de suas vantagens e desvantagens:

• Vantagens do Si Igbts

Lida bem com grandes correntes: O SI IGBTS é muito bom em gerenciar grandes correntes com eficiência.Isso os torna uma boa escolha para aplicações que precisam lidar com grandes cargas de energia, como máquinas industriais e veículos elétricos.

Velocidade de troca rápida: O SI IGBTS pode ligar e desligar rapidamente, o que melhora seu desempenho em sistemas que precisam de alterações rápidas no fluxo de corrente.Essa capacidade de comutação rápida é útil para aplicativos que requerem mudanças rápidas, levando a uma melhor capacidade de resposta e desempenho.

Baixo custo: O processo de produção para o SI IGBTS é maduro e bem estabelecido, resultando em custos de produção mais baixos.Essa vantagem de custo faz do SI IGBTS uma opção econômica para muitas aplicações de alta potência, mantendo baixas as despesas gerais do sistema.

Pode lidar com altas tensões: O SI IGBTS pode suportar altas tensões, tornando -as adequadas para aplicações que operam em níveis de alta tensão.Essa habilidade é particularmente útil nos sistemas de transmissão e distribuição de energia, onde é necessária uma resistência de alta tensão.

Baixa perda de energia: O SI IGBTS tem uma queda de tensão mínima e as perdas de condutância ao realizar corrente.Essa eficiência se traduz em perda de energia reduzida e melhor desempenho geral do sistema, o que é bom para manter a alta eficiência em aplicações sensíveis à energia.

• Desvantagens de Si Igbts

Propenso a superaquecimento: Em aplicações de alta potência, como as de veículos elétricos ou sistemas industriais, o SI IGBTS pode superaquecer.Esse superaquecimento pode levar a fuga térmica, uma condição em que o aumento da temperatura causa aumentos adicionais de temperatura, potencialmente levando à falha do dispositivo.Esse risco de problemas térmicos representa uma preocupação de confiabilidade em situações de alta potência.

Tempos de desligamento mais lento: Comparados a alguns dispositivos semicondutores mais recentes, o SI IGBTS leva mais tempo para desligar.Esse desligamento mais lento pode limitar sua eficácia em aplicativos que precisam de comutação muito rápida, como inversores de alta frequência ou sistemas de controle de motor avançados.O tempo de desligamento mais lento pode levar ao aumento das perdas de comutação e redução da eficiência geral em tais aplicações.

MOSFETS SIC (transistores de efeito de campo de óxido de metal-óxido de carboneto de silício)

Em aplicações de acionamento motor, a escolha entre transistores bipolares de porta isolados de silício (SI IGBTS) e transistores de efeito de campo de óxido de óxido de metal-óxido de carboneto de silício (MOSFETs SIC) afeta muito o desempenho e a eficiência do sistema.Compreender os prós e os contras dos MOSFETs do SiC ajuda a explicar por que eles estão se tornando uma escolha popular em muitas aplicações de alto desempenho, apesar de alguns desafios.

• Vantagens dos MOSFETs SIC

Maior eficiência: Os MOSFETs do SIC apresentam mais baixas perdas de condução e comutação em comparação com o SI IGBTS.Essa eficiência aprimorada reduz o consumo de energia e aumenta o desempenho geral do sistema de acionamento de motor.Perdas mais baixas significam que menos energia é desperdiçada como calor, levando a um uso de energia mais eficaz.

Melhor gerenciamento de calor: O carboneto de silício conduz o calor melhor que o silício.Isso permite que os MOSFETs do SIC lidem com o calor de maneira mais eficaz, mantendo seu desempenho e confiabilidade, mesmo em condições de alta potência.Melhor gerenciamento de calor reduz a necessidade de extensos sistemas de refrigeração, tornando o design mais simples e o corte de custos.

Comutação mais rápida: O SIC MOSFETS pode operar em frequências de comutação muito mais altas que o SI IGBTS.A comutação mais rápida permite um controle mais preciso do motor e pode melhorar o desempenho em aplicativos que precisam de comutação rápida.Isso é especialmente útil em unidades de veículos elétricos e controle de motores industriais, onde os tempos de eficiência e resposta rápida são muito importantes.

Manipulação de tensão mais alta: O SIC MOSFETS pode gerenciar tensões mais altas que o SI IGBTS, tornando-as adequadas para aplicações de alta tensão.Essa maior tolerância à tensão é útil em interfaces de rede de energia e acionamentos industriais de alta potência, onde é necessário um forte manuseio de tensão.

Tamanho menor: Devido à sua melhor eficiência e propriedades de calor, os MOSFETs do SiC podem ser menores que seus colegas de silício.Essa redução de tamanho é boa para criar sistemas mais compactos e leves, o que é particularmente valioso em aplicações como veículos elétricos, onde economizar espaço e peso é muito importante.

• Desvantagens dos MOSFETs SIC

Custo mais alto: Fazer o SIC MOSFETS é mais complexo e caro do que fazer Si Igbts.Esse custo de produção mais alto leva a um preço de compra mais alto, que pode ser uma barreira, especialmente em aplicações sensíveis ao custo.No entanto, à medida que a fabricação melhora e as quantidades maiores são produzidas, esses custos estão gradualmente diminuindo.

Uso limitado no mercado: Como uma tecnologia mais recente, o SIC MOSFETs ainda não foi adotado tão amplamente quanto o SI IGBTS.Esse uso limitado pode resultar em menos componentes disponíveis e menos suporte, dificultando a localização de peças e obtendo ajuda técnica.Com o tempo, à medida que a tecnologia SIC se torna mais comum, espera -se que essa limitação diminua.

Necessidades complexas de acionamento: Os MOSFETs do SIC geralmente precisam de circuitos de acionamento mais avançados em comparação com o SI IGBTS.A complexidade desse circuito de acionamento pode complicar o design geral do sistema e possivelmente aumentar os custos de desenvolvimento.Os engenheiros devem projetar e implementar cuidadosamente esses circuitos para se beneficiar totalmente da tecnologia SIC.

Tecnologia de inversor aprimorada com MOSFETS SIC

Figura 3: Comparação do gabinete de energia SI Solução vs. SIC Solução para inversores de acionamento de motor

Os MOSFETs de carboneto de silício (MOSFETs SIC) melhoraram bastante a tecnologia inversora em sistemas de acionamento de motor, oferecendo muitos benefícios sobre os transistores bipolares de porta isolados de silício (SI IGBTS).O SIC MOSFETS pode funcionar em velocidades de comutação muito mais altas devido às suas perdas de comutação mais baixas, permitindo um controle mais preciso da velocidade e do torque do motor.Eles também lidam com o calor melhor, o que significa que se livram do calor de maneira mais eficaz e reduzem a necessidade de grandes sistemas de refrigeração.Isso leva a projetos de inversores menores e mais leves, o que é especialmente bom para veículos elétricos.

Os MOSFETs do SIC também podem funcionar em temperaturas mais altas, aumentando a confiabilidade e a vida útil dos sistemas de acionamento de motor em condições difíceis.Embora o SI IGBTS ainda possa ser usado em aplicações mais baratas ou onde altas velocidades de comutação e gerenciamento de calor são menos preocupantes, a eficiência, melhor manuseio de calor e maior desempenho dos MOSFETs SIC os tornam perfeitos para aplicações de acionamento automobilístico de alto desempenho e confiáveis,,incluindo veículos elétricos e automação industrial.

Principais diferenças entre IGBTs e MOSFETs

Parâmetro	IGBT	MOSFET
Faixa de tensão	600V a 6500V (aplicações comuns de alta tensão)	20V a 1000V (aplicações de tensão comum a média)
Aplicações típicas	Aplicações de alta tensão e alta corrente, por exemplo, grades de energia, industrial motores e inversores	Aplicações de baixa a média tensão, por exemplo, fontes de alimentação, áudio amplificadores e controladores motores
Queda de tensão no estado (vCE ou VDs)	Queda de tensão mais alta, normalmente de 2V a 4V	Queda de tensão mais baixa, normalmente de 0,1V a 1V
Velocidade de comutação	Velocidade de comutação mais lenta (mais adequada para menor frequência aplicações)	Velocidade de comutação mais rápida (mais adequada para aplicações de alta frequência)
Perdas de condução	Maior devido à natureza bipolar e queda de tensão mais alta	Menor devido à natureza unipolar e queda de tensão mais baixa
Comutação de perdas	Maior devido à velocidade de comutação mais lenta	Menor devido à velocidade de comutação mais rápida
Estabilidade térmica	Melhor desempenho térmico em níveis mais altos de potência	Desempenho térmico limitado em comparação com IGBTS
Controlar a complexidade	Requisitos mais fáceis de unidade de portão, normalmente controlada por voltagem	Requer circuitos de unidade de portão mais complexos, normalmente controlado por corrente
Robustez	Geralmente melhor a capacidade de resistência ao curto-circuito	Normalmente mais baixo, resistência ao curto-circuito
Custo	Geralmente mais alto para classificações de tensão equivalentes	Geralmente menor para classificações de tensão equivalentes

Tipo de dispositivo

Figura 4: Tipo de dispositivo - comparação de símbolos MOSFET e IGBT

IGBTS (transistores bipolares de porta isolados) são uma mistura de MOSFETs (transistores de efeito de campo de óxido de óxido de metal) e transistores bipolares.Eles têm um portão controlado por voltagem, como os MOSFETs, o que facilita a mudança.Eles também têm capacidade de transporte de corrente do tipo bipolar, permitindo lidar com altos níveis de potência.Os MOSFETs, por outro lado, são apenas transistores controlados por voltagem.O fluxo de corrente entre os terminais de origem e drenagem é controlado pela tensão aplicada ao portão.

Classificação de tensão

Figura 5: tensão de drenagem/coletor vs.Atual para MOSFET e IGBT

Para classificação de tensão, o IGBTS é melhor para usos de alta tensão, variando de centenas a milhares de volts.Isso os torna adequados para aplicações de alta potência, como unidades motoras e inversores de energia.Os MOSFETs são geralmente usados ​​em aplicações de tensão inferior a média, variando de dezenas a centenas de volts, que são comuns em circuitos eletrônicos de comutação e reguladores de tensão.

Manuseio atual

Figura 6: Características VD-ID a 25 ° C e 150 ° C para MOSFET e IGBT

Em termos de manuseio atual, os IGBTs são ótimos para aplicações de alta corrente devido à sua capacidade de transporte de corrente bipolar.Isso os torna úteis em configurações de alta potência.Os MOSFETs, no entanto, são normalmente usados ​​para aplicações de corrente mais baixas a moderadas, onde são necessárias alta eficiência e comutação rápida.

Velocidade de comutação

A velocidade de troca é outra grande diferença.IGBTS Switch mais lento que os MOSFETs, o que é bom para aplicações onde a comutação rápida não é necessária.Por outro lado, os MOSFETs são feitos para uso de alta frequência, oferecendo velocidades de comutação mais rápidas.Isso os torna adequados para aplicações como fontes de alimentação e conversores que precisam de comutação rápida e eficiente.

Eficiência

A eficiência varia entre IGBTs e MOSFETs com base nos níveis de tensão e corrente.Os IGBTs têm mais perdas de condução em altas tensões e correntes, tornando-as mais eficientes em aplicações de alta potência.Os MOSFETs, no entanto, são mais eficientes em baixas tensões e correntes devido à sua baixa resistência e recursos de comutação rápida.

Aplicações

Figura 7: MOSFET Basic Structure vs.Estrutura básica IGBT

Os usos desses dispositivos refletem seus pontos fortes.Os IGBTs são comumente usados ​​em situações de alta potência, como acionamentos de motor, inversores de potência e sistemas de aquecimento de indução devido à sua capacidade de lidar com alta tensão e corrente.Os MOSFETs são melhores para aplicações que priorizam a comutação e a eficiência rápidas em níveis mais baixos de energia, como circuitos eletrônicos de comutação e reguladores de tensão.

Requisitos de unidade de portão

Por fim, os requisitos de unidade de portão diferem entre os IGBTs e os MOSFETs.Os IGBTs precisam de uma tensão positiva no portão em relação ao emissor para ligar e desligar, reduzindo a tensão do portão.Os MOSFETs, no entanto, precisam de uma tensão positiva no portão em relação à fonte para ligar e desligar, tornando a unidade do portão mais simples e mais direta.

Conclusão

Tanto o SI IGBTS quanto o SIC MOSFETs têm pontos fortes únicos que se adaptam a diferentes aplicações de alta potência.O SI IGBTS é ótimo para lidar com grandes correntes e altas tensões e é mais barato de produzir, tornando -os confiáveis ​​para usos tradicionais, como motores industriais e grades de energia.No entanto, eles podem superaquecer e mudar mais devagar, o que pode ser um problema em ambientes de alta velocidade ou muito quentes.

Por outro lado, os MOSFETs do SiC lidam com o calor melhor, mudam mais rapidamente e são mais eficientes, tornando-os favoritos para usos modernos, como carros elétricos e sistemas industriais de alto desempenho.Embora eles custem mais no início e precisem de circuitos de acionamento mais complexos, as melhorias contínuas na tecnologia SIC estão reduzindo esses problemas, levando a um uso mais amplo.

A escolha entre o SI IGBTS e o SIC MOSFETS depende das necessidades específicas do aplicativo, como tensão e níveis de corrente, velocidade da comutação e gerenciamento de calor.Usando os pontos fortes de cada dispositivo, os engenheiros podem projetar e criar melhores sistemas eletrônicos de energia, impulsionando melhorias e eficiência em vários campos de tecnologia.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Qual é o melhor IGBT ou MOSFET?

A escolha entre IGBT e MOSFET depende do que você precisa.Os MOSFETs geralmente são melhores para tarefas de baixa a média potência que precisam de velocidades de comutação rápidas e bom gerenciamento de calor.Eles são bons para fontes de alimentação e controladores de motor.Os IGBTs, por outro lado, são melhores para tarefas de alta potência, porque podem lidar com correntes maiores e tensões mais altas, tornando-as ideais para motores industriais e inversores de energia.

2. O IGBT pode substituir o MOSFET?

Às vezes, os IGBTs podem substituir os MOSFETs, especialmente em tarefas de alta potência, onde é muito necessário manusear grandes correntes e tensões.No entanto, como os IGBTs alternam mais devagar e manipulam o calor de maneira diferente, eles podem não ser bons para tarefas que precisam de comutação muito rápida e baixa perda de energia, onde os MOSFETs são melhores.

3. Como eu sei se tenho IGBT ou MOSFET?

Para descobrir se você possui um IGBT ou MOSFET, verifique o número da peça e os detalhes do fabricante.As folhas de dados dirão se o dispositivo é um IGBT ou um MOSFET.Eles podem parecer iguais, então você precisa verificar a documentação ou as marcas no componente.

4. Qual é o dispositivo de comutação mais rápido IGBT ou MOSFET?

Os MOSFETs são geralmente os dispositivos de comutação mais rápidos em comparação com o IGBTS.Eles podem alternar em velocidades muito mais altas, o que os torna adequados para tarefas que precisam de comutação rápida, como em fontes de alimentação e inversores de alta frequência.

5. Como sei se tenho IGBT ou MOSFET?

Você pode descobrir se possui um IGBT ou MOSFET olhando as marcações do componente e comparando -as com folhas de dados ou detalhes do fabricante.Esses documentos fornecem informações detalhadas sobre o tipo de dispositivo semicondutor, incluindo se é um IGBT ou um MOSFET.