Статья: Новое поколение транзисторов
В-третьих, биполярные транзисторы обладают большей плотностью тока, чем полевые МОП транзисторы, благодаря чему IGBT используют кристаллы меньшего размера с тем же уровнем мощности, что и МОП транзисторы. Из-за значительного увеличения сопротивления в открытом состоянии, полевые МОП транзисторы обладают гораздо меньшей плотностью тока при рабочих напряжениях свыше 300В. И здесь гораздо целесообразнее использовать IGBT.
В завершении, надо отметить что необходимо понимание относительной эффективности того или иного устройства при применении в различных условиях. На высоких частотах и сравнительно низких токах, предпочтение отдается, как правило, полевым МОП транзисторам (или же РТ IGBT малых размеров). IGBT является лучшим решением в применениях, где требуется больший ток, так как потери проводимости умеренно увеличиваются с увеличением тока, в то время как значения потерь проводимости мощного полевого МОП транзистора пропорциональны квадрату значения тока. В большинстве частотных и токовых диапазонов могут применяться различные устройства, однако, последнее поколение PT IGBT Power MOS 7® выступает как самое недорогое решение для разработчиков.
5. Температурные эффекты
Скорость включения в импульсном режиме работы и потери для биполярных транзисторов с изолированным затвором и полевых МОП транзисторов практически не зависят от температуры. Между тем, в режиме жесткого переключения, обратный ток восстановления диода увеличивается с увеличением температуры, что увеличивает потери на переключение. Скорость выключения полевых МОП транзисторов также, в сущности, не связана с температурой, но скорость выключения IGBT ухудшается и потери на переключение, соответственно, увеличиваются с ростом температуры. Тем не менее в транзисторах PT IGBT Power MOS 7® потери сохраняются практически на прежнем уровне, благодаря контролю над временем жизни неосновных носителей.
Одним из основных недостатков обычных IGBT-транзисторов является отрицательный температурный коэффициент (ТК) по напряжению насыщения (VCE(on)), что нарушает баланс токов при параллельном соединении транзисторов.
На рис.4 представлены зависимости, характеризующие температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2.
Рисунок 4 - Температурный коэффициент IGBT APT65GP60B2
Из рисунка видно, что температурный коэффициент слегка меняется в зависимости от тока коллектора, от отрицательного значения при токе меньше 65А (нулевому ТК соответствует ток 75А на рис. не показан) до положительного при токе большем 75А. На это свойство специально был сделан упор при разработке PT IGBT Advanced Power Technology Power MOS 7® нового поколения. Данное свойство позволяет достаточно просто осуществлять параллельное включение устройств.
В отличие от PT IGBT полевые МОП транзисторы обладают жестким положительным температурным коэффициентом, что приводит к потере проводимости при соединении более чем двух устройств, при условии их работы в температурном диапазоне 25-125С.
Применение в системах импульсных источников питания (SMPS). Усилительный преобразователь в режиме жесткого переключения.
Рисунок 5 - Исполнение в схеме SMPS. Зависимость частоты усиления от тока
На рис 5. дано сравнение зависимостей рабочей частоты и прямого тока устройств PT IGBT АРТ15GP60В (IC2 = 27А) и полевого МОП транзистора АРТ6029BLL (ID = 21А). Условия были выбраны те же, что и ранее: режим жесткого переключения с индуктивной нагрузкой, рабочее напряжение 400В, температура перехода Tj=175?С, температура корпуса TC=75С, рабочий цикл 50% и общее сопротивление затвора 5 Ом. Совместно с каждым устройством использовался диод сверхбыстрого восстановления на 15А, 600В в качестве фиксирующего диода. Из приведенных зависимостей видно, что каждое устройство может работать с частотой 200 кГц и током 14 А. При более высоких токах, более привлекательной альтернативой является использование IGBT, т.к. при этом его рабочая частота выше, чем полевого МОП транзистора. IGBT АРТ15GP60В обладает меньшими размерами кристалла, и соответственно дешевле. При значениях тока ниже 14А, полевой МОП транзистор может работать с более высокой частотой, и это означает, что использование полевого МОП транзистора в этих условиях эффективнее, чем использование IGBT.
6. Фазосдвигающий мост
На рисунке 6 приведена зависимость максимальной рабочей частоты и тока для устройств, схожих с предыдущими. АРТ6029BFLL – это транзистор из семейства FREDFET (полевой МОП транзистор со встроенным быстрым диодом) и АРТ15GP60BDF1 – COMBI IGBT (IGBT со встроенным диодом быстрого восстановления). Оба устройства могут использоваться в построении мостовых схем.
Рисунок 6 - Зависимость рабочей частоты от тока для фазосдвигающего моста
Анализируемая схема представляет собой ключ нулевого напряжения, что характерно для режима жесткого переключения. Из рисунка 6 видно, что кривые зависимости частоты от тока просто смещены в область более высоких значений тока, если сравнивать с рисунком 5 для усилительного преобразователя в режиме жесткого переключения. На самом деле необходимо отметить, что кривые IGBT смещены дальше, чем кривые полевого МОП транзистора. Это обусловлено тем, что IGBT обладает меньшими потерями проводимости, чем полевой МОП транзистор. При рабочем токе свыше 13А, основные потери полевого МОП транзистора обусловлены потерями проводимости. При значении тока 15А, у полевого МОП транзистора АРТ6029BLF теряется 75 Вт мощности в связи с потерями проводимости, в то время как у PT IGBT АРТ15GP60BDF1 около 14 Вт. Потери на переключение преобладают над потерями проводимости IGBT вплоть до уровня рабочего тока 40А. При токе свыше 40А, потери проводимости IGBT становятся больше чем потери на переключение.
Когда значение рабочей частоты ниже 300кГц, IGBT обладает преимуществом режима мягкого включения в схеме фазосдвигающего моста, т.к. допустимое максимальное значение рабочего тока больше, чем у полевого МОП транзистора. Малые потери на переключение IGBT в результате мягкого переключения, дополнены малыми потерями проводимости. Таким образом, семейство Power MOS 7® PT IGBT находит свое применение как в схемах мягкого, так и жесткого переключения.
Заключение
Новое поколение транзисторов с изолированным затвором Advanced Power Technology PT IGBT Power MOS 7® обладает совокупностью значительно улучшенных динамических характеристик, малыми потерями проводимости и универсальной способностью мягкого переключения. Дополнив эти преимущества немаловажным фактором – невысокой стоимостью – новое поколение транзисторов PT IGBT Power MOS 7® действительно может заменить полевые МОП транзисторы в применениях импульсного электропитания. Теперь уже трудно сказать, насколько долго продержаться высоковольтные полевые МОП транзисторы в составе устройств питания. Скорее всего, в будущем, биполярные транзисторы с изолированным затвором займут их место.