MOSFET contre IGBT

Dans le monde de l'électronique de puissance, la sélection du bon dispositif semi-conducteur est très importante pour améliorer les performances, l'efficacité et la fiabilité des systèmes électroniques.Deux options populaires sont les transistors bipolaires à la porte à isolation du silicium (SI IGBT) et les transistors à effet de champ métal-oxyde de carbure de carbure de silicium (MOSFET SIC).Chacun de ces appareils a des caractéristiques et des avantages uniques, ce qui les rend adaptés à différentes utilisations.Cet article expliquera les principales différences entre les SI IGBT et les MOSFET SIC, en discutant de leurs caractéristiques, des avantages, des inconvénients et de la façon dont ils affectent la technologie de l'onduleur, en particulier dans les systèmes de conduite motrice.En comprenant ces différences, les ingénieurs et les concepteurs peuvent prendre de meilleures décisions pour améliorer leurs projets d'électronique d'alimentation.

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Figure 1: MOSFET contre IGBT

Comprendre Si IGBTS et SIC MOSFETS

MOSFETS SIC

Les transistors à effet de champ métal-oxyde de carbure de silicium (MOSFET SIC) fonctionnent en contrôlant la tension appliquée à leur borne de porte.L'un des principaux avantages des MOSFET SIC est leur forte résistance à la fuite thermique, une condition où une augmentation de la température entraîne une augmentation de la température supplémentaire, provoquant potentiellement une défaillance du dispositif.Cette résistance est largement due à la meilleure conductivité thermique du carbure de silicium (SIC) par rapport au silicium ordinaire.La conductivité thermique élevée du SIC assure une dissipation de chaleur efficace au niveau de l'appareil, en gardant des températures de fonctionnement stables même dans des conditions de haute puissance.

Cette capacité à gérer la chaleur est très importante dans les environnements à des températures élevées, telles que celles trouvées dans les voitures et les environnements industriels.Dans ces situations, la fiabilité et l'efficacité des pièces électroniques sont très importantes et les MOSFET SIC fournissent une solution forte.Leur capacité à maintenir les performances et à prévenir la surchauffe dans des conditions difficiles les rend très souhaitables pour l'électronique de puissance, où la gestion de la chaleur est une grande préoccupation.

Si igbts

Les transistors bipolaires à l'emploi isolé en silicium (SI IGBT) sont des dispositifs semi-conducteurs contrôlés par le courant, qui fonctionnent en appliquant un courant à la borne de la porte.Ces transistors sont couramment utilisés dans les applications qui convertissent le courant direct (DC) en courant alternatif (AC), en particulier dans les lecteurs de moteur.L'attraction des SI IGBT est leur capacité à gérer efficacement les courants élevés.Ils offrent également des vitesses de commutation rapides, ce qui est très important pour les applications nécessitant un contrôle de puissance rapide et précis.

En ce qui concerne les caractéristiques électriques, les SI IGBT ont une cote de haute tension, ce qui leur permet de fonctionner en toute sécurité dans des conditions de haute tension.Ils ont également une baisse de basse tension à travers l'appareil lors de la conduite du courant, ce qui entraîne une baisse des pertes de puissance et une meilleure efficacité.De plus, les SI IGBT ont de faibles pertes de conductance, ce qui signifie qu'ils utilisent moins de puissance lorsque le transistor est à l'état «sur», améliorant les performances globales du système.

Ces qualités font des SI IGBT particulièrement adaptées aux applications de conduite à moteur haute puissance, telles que celles des systèmes de fabrication.Leurs performances solides dans ces environnements difficiles sont dues à leur capacité à changer efficacement de courants et de tensions, ce qui en fait un choix abordable et fiable pour contrôler les moteurs de haute puissance.

Onduleurs et leur impact sur les systèmes d'entraînement des moteurs

Figure 2: Onduleurs et leur impact sur les systèmes d'entraînement des moteurs

Dans les applications d'entraînement moteur, les onduleurs jouent un rôle majeur dans la modification du courant direct (DC) des systèmes de batterie au courant alternatif (AC), dont les moteurs électriques doivent fonctionner.Ce changement est très nécessaire pour les véhicules électriques, où de grandes batteries donnent à la puissance DC nécessaire.Les onduleurs gèrent de nombreuses parties importantes des performances du moteur, notamment la vitesse, le couple, la puissance et l'efficacité.Ils aident également au freinage régénératif, qui est une caractéristique qui capture l'énergie pendant le freinage et la renvoie dans la batterie, ce qui rend l'ensemble du système plus économe en énergie.

Le type d'onduleur utilisé affecte considérablement le fonctionnement du système d'entraînement du moteur.Historiquement, deux types d'onduleurs ont été largement utilisés: les transistors bipolaires de la porte isolés de silicium (SI IGBT) et les transistors à effet de champ métal-oxyde-oxyde-sémiconducteur (MOSFET SIC).

Les SI IGBT ont été le choix standard car ils sont fiables et les processus de fabrication pour eux sont bien établis.Cependant, les MOSFET sic deviennent de plus en plus populaires car ils fonctionnent mieux.Les MOSFET SIC ont des pertes de commutation plus faibles, une meilleure conductivité thermique et peuvent fonctionner à des fréquences et des températures plus élevées par rapport aux IGBT SI.Ces avantages conduisent à une meilleure efficacité, à moins de besoin de refroidissement et à la capacité de concevoir des systèmes d'entraînement moteur plus petits et plus légers.

Au début, le coût élevé des MOSFET SIC a limité leur utilisation à des applications haut de gamme ou spéciales.Cependant, les améliorations de la technologie de fabrication et de la production de masse ont considérablement réduit le coût des appareils SIC, ce qui en fait une option pratique et attrayante pour une gamme plus large d'applications de conduite à moteur.Cette réduction des coûts, ainsi que leurs avantages sociaux, ont conduit à une plus grande utilisation des MOSFET SIC dans diverses industries, notamment l'automobile, l'automatisation industrielle et les secteurs des énergies renouvelables.

Avantages et inconvénients des SI IGBTS et MOSFETS SIC

SI IGBTS (transistors bipolaires de porte isolés en silicium)

Les transistors bipolaires de la porte isolés en silicium (SI IGBT) sont largement utilisés dans des applications de haute puissance en raison de leurs traits de performance solides.Voici un regard détaillé sur leurs avantages et leurs inconvénients:

• Avantages des SI IGBT

Gère bien les grands courants: Les SI IGBT sont très bons pour gérer efficacement les courants importants.Cela en fait un bon choix pour les applications qui doivent gérer de grandes charges d'alimentation, telles que les machines industrielles et les véhicules électriques.

Vitesse de commutation rapide: Les SI IGBT peuvent s'activer rapidement, ce qui améliore leurs performances dans les systèmes qui nécessitent des changements rapides dans le flux de courant.Cette capacité de commutation rapide est utile pour les applications qui nécessitent des changements rapides, conduisant à une meilleure réactivité et à une meilleure performance.

Faible coût: Le processus de production des Si IGBT est mature et bien établi, entraînant une baisse des coûts de production.Cet avantage de coût fait de SI IGBTS un choix budgétaire pour de nombreuses applications de haute puissance, maintenant les dépenses globales du système.

Peut gérer les hautes tensions: Les IGBS SI peuvent résister à des tensions élevées, ce qui les rend adaptées aux applications qui fonctionnent à des niveaux de haute tension.Cette capacité est particulièrement utile dans les systèmes de transmission et de distribution de puissance où une endurance à haute tension est nécessaire.

Faible perte d'énergie: Les IGBS SI ont une chute de tension minimale et des pertes de conductance lors de la conduite du courant.Cette efficacité se traduit par une perte d'énergie réduite et une amélioration des performances globales du système, ce qui est bon pour maintenir une efficacité élevée dans les applications sensibles à la puissance.

• Inconvénients des SI IGBT

Sujet à la surchauffe: Dans les applications de haute puissance, telles que celles des véhicules électriques ou des systèmes industriels, les SI IGBT peuvent surchauffer.Cette surchauffe peut entraîner un rodaway thermique, une condition où l'augmentation de la température provoque une augmentation supplémentaire de la température, ce qui entraîne potentiellement une défaillance de l'appareil.Ce risque de problèmes thermiques pose un problème de fiabilité dans des situations de haute puissance.

Temps de désactivation plus lents: Par rapport à certains appareils semi-conducteurs plus récents, les IGBS SI prennent plus de temps à éteindre.Cet élément plus lent peut limiter leur efficacité dans les applications qui nécessitent une commutation très rapide, telles que les onduleurs à haute fréquence ou les systèmes de contrôle moteur avancés.Le temps d'arrêt plus lent peut entraîner une augmentation des pertes de commutation et une efficacité globale réduite dans de telles applications.

MOSFETS SIC (transistors à effets de champ métal-oxyde de carbure de carbure de carbure-semi-conducteur)

Dans les applications d'entraînement moteur, le choix entre les transistors bipolaires de la porte isolés en silicium (SI IGBT) et les transistors à effet de champ (MOSFET SIC (SIC MOSFET) en carbure de carbure de silicone affecte considérablement les performances et l'efficacité du système.Comprendre les avantages et les inconvénients des MOSFET SIC aide à expliquer pourquoi ils deviennent un choix populaire dans de nombreuses applications hautes performances malgré certains défis.

• Avantages des MOSFET sic

Efficacité plus élevée: Les MOSFET SIC ont des pertes de conduction et de commutation plus faibles par rapport aux IGBT SI.Cette efficacité améliorée réduit la consommation d'énergie et augmente les performances globales du système d'entraînement moteur.Des pertes plus faibles signifient que moins d'énergie est gaspillée comme chaleur, conduisant à une consommation d'énergie plus efficace.

Meilleure gestion de la chaleur: Le carbure de silicium conduit une chaleur mieux que le silicium.Cela permet aux MOSFET sic de gérer la chaleur plus efficacement, en gardant leurs performances et leur fiabilité même dans des conditions de haute puissance.Une meilleure gestion de la chaleur réduit le besoin de systèmes de refroidissement étendus, simplifie la conception et la réduction des coûts.

Commutation plus rapide: Les MOSFET SIC peuvent fonctionner à des fréquences de commutation beaucoup plus élevées que les IGBS SI.La commutation plus rapide permet un contrôle plus précis du moteur et peut améliorer les performances dans les applications nécessitant une commutation rapide.Ceci est particulièrement utile dans les entraînements des véhicules électriques et le contrôle des moteurs industriels, où l'efficacité et les temps de réponse rapides sont très importants.

Manipulation de tension plus élevée: Les MOSFET SIC peuvent gérer des tensions plus élevées que les IGBS SI, ce qui les rend adaptés aux applications à haute tension.Cette tolérance à la tension plus élevée est utile dans les interfaces de réseau électrique et les disques industriels de haute puissance, où une forte manipulation de tension est nécessaire.

Taille plus petite: En raison de leur meilleure efficacité et de leurs propriétés de chaleur, les MOSFET sic peuvent être réduits plus petits que leurs homologues en silicium.Cette réduction de la taille est bonne pour créer des systèmes plus compacts et légers, ce qui est particulièrement précieux dans les applications comme les véhicules électriques, où la sauvegarde de l'espace et du poids est très importante.

• Inconvénients des MOSFET sic

Coût plus élevé: Faire des MOSFET SIC est plus complexe et coûteux que la fabrication de Si IGBTS.Ce coût de production plus élevé conduit à un prix d'achat plus élevé, qui peut être une obstacle, en particulier dans les applications sensibles aux coûts.Cependant, à mesure que la fabrication s'améliore et que de plus grandes quantités sont produites, ces coûts diminuent progressivement.

Utilisation limitée du marché: En tant que technologie plus récente, les MOSFET SIC n'ont pas encore été adoptés aussi largement que Si IGBTS.Cette utilisation limitée peut entraîner moins de composants disponibles et moins de support, ce qui rend plus difficile pour les ingénieurs de trouver des pièces et d'obtenir une aide technique.Au fil du temps, à mesure que la technologie SIC devient plus courante, cette limitation devrait diminuer.

Besoins complexes de lecteur: Les MOSFET SIC ont souvent besoin de circuits de conduite plus avancés par rapport aux IGBT SI.La complexité de ces circuits d'entraînement peut compliquer la conception globale du système et éventuellement augmenter les coûts de développement.Les ingénieurs doivent concevoir et mettre en œuvre soigneusement ces circuits pour bénéficier pleinement de la technologie SIC.

Amélioration de la technologie d'onduleur avec MOSFETS SIC

Figure 3: Comparaison de la solution SI Cabinet Power Vs. SIC pour les onduleurs de conduite moteur

Les MOSFET en carbure de silicium (SIC MOSFET) ont considérablement amélioré la technologie de l'onduleur dans les systèmes de conduite motrice, offrant de nombreux avantages sur les transistors bipolaires de la porte isolés en silicium (SI IGBT).Les MOSFET SIC peuvent fonctionner à des vitesses de commutation beaucoup plus élevées en raison de leurs pertes de commutation inférieures, permettant un contrôle plus précis de la vitesse du moteur et du couple.Ils gèrent également mieux la chaleur, ce qui signifie qu'ils se débarrassent de la chaleur plus efficacement et réduisent le besoin de grands systèmes de refroidissement.Cela conduit à des conceptions d'onduleurs plus petites et plus légères, ce qui est particulièrement bon pour les véhicules électriques.

Les MOSFET SIC peuvent également fonctionner à des températures plus élevées, augmentant la fiabilité et la durée de vie des systèmes d'entraînement moteur dans des conditions difficiles.Bien que les SI IGBT puissent toujours être utilisés dans des applications moins chères ou lorsque les vitesses de commutation élevées et la gestion de la chaleur sont moins préoccupantes, l'efficacité, une meilleure gestion de la chaleur et des performances plus élevées des MOSFET SIC les rendent parfaits pour les applications de conduite à moteur haute performance et fiable,y compris les véhicules électriques et l'automatisation industrielle.

Principales différences entre IGBTS et MOSFETS

Paramètre	Igbt	Mosfet
Plage de tension	600 V à 6500V (applications courantes à haute tension)	20V à 1000V (applications communes à faible tension)
Applications typiques	Applications à haute tension, à courant élevé, par ex., Réseaux électriques, industriel moteurs et onduleurs	Applications basse à moyenne tension, par exemple, alimentation, audio amplificateurs et contrôleurs de moteur
Tente de tension sur l'État (VCE ou VDs)	Chute de tension plus élevée, généralement de 2 V 4V	Chute de tension inférieure, généralement 0,1 V à 1 V
Vitesse de commutation	Vitesse de commutation plus lente (plus adapté à la fréquence plus basse applications)	Vitesse de commutation plus rapide (plus adapté aux applications à haute fréquence)
Pertes de conduction	Plus élevé en raison de la nature bipolaire et de la chute de tension plus élevée	Plus bas en raison de la nature unipolaire et de la chute de tension inférieure
Commutation de pertes	Plus élevé en raison de la vitesse de commutation plus lente	Plus bas en raison d'une vitesse de commutation plus rapide
Stabilité thermique	Meilleure performance thermique à des niveaux de puissance plus élevés	Performances thermiques limitées par rapport aux IGBT
Complexité de contrôle	Exigences de lecteur de porte plus faciles, généralement contrôlé par tension	Nécessite des circuits d'entraînement de porte plus complexes, généralement sous-contrôlé
Rugosité	Généralement de meilleurs courts-circuits avec capacité de résolution	Capacité de support de court-circuit généralement plus faible
Coût	Généralement plus élevé pour les cotes de tension équivalentes	Généralement plus faible pour les cotes de tension équivalentes

Type d'appareil

Figure 4: Type de dispositif - comparaison de symboles MOSFET et IGBT

Les IGBT (transistors bipolaires isolés) sont un mélange de transistors à effet de champ de MOSFET (oxyde de métal-oxyde-sémiconducteur) et de transistors bipolaires.Ils ont une porte contrôlée à la tension comme les MOSFET, ce qui facilite la commutation.Ils ont également une capacité de transport de courant bipolaire, ce qui leur permet de gérer des niveaux de puissance élevés.Les MOSFET, en revanche, ne sont que des transistors à tension contrôlée par la tension.L'écoulement du courant entre leur source et les bornes de drain est contrôlé par la tension appliquée à la porte.

Cote de tension

Figure 5: Tension de drainage / collecteur Vs.Current pour MOSFET et IGBT

Pour la cote de tension, les IGBT sont meilleurs pour les utilisations à haute tension, allant de centaines à des milliers de volts.Cela les rend adaptés aux applications de haute puissance comme les lecteurs de moteur et les onduleurs de puissance.Les MOSFET sont généralement utilisés dans des applications de tension inférieure à moyenne, allant de dizaines à des centaines de volts, qui sont courantes dans les circuits de commutation électroniques et les régulateurs de tension.

Manipulation actuelle

Figure 6: Caractéristiques VD-ID à 25 ° C et 150 ° C pour MOSFET et IGBT

En termes de manipulation actuelle, les IGBT sont excellents pour les applications de courant élevées en raison de leur capacité de transport bipolaire de courant.Cela les rend utiles dans des paramètres de haute puissance.Les MOSFET, cependant, sont généralement utilisés pour des applications de courant inférieures à modérées, où une efficacité élevée et une commutation rapide sont nécessaires.

Vitesse de commutation

La vitesse de commutation est une autre grande différence.Les IGBTs changent plus lentement que les MOSFET, ce qui est bien pour les applications où une commutation rapide n'est pas nécessaire.D'un autre côté, les MOSFET sont conçus pour une utilisation haute fréquence, offrant des vitesses de commutation plus rapides.Cela les rend adaptés aux applications telles que les alimentations et les convertisseurs qui ont besoin de commutations rapides et efficaces.

Efficacité

L'efficacité varie entre les IGBT et les MOSFET en fonction de la tension et des niveaux de courant.Les IGBT ont des pertes de conduction plus faibles à des tensions et des courants élevés, ce qui les rend plus efficaces dans les applications de haute puissance.Les MOSFET, cependant, sont plus efficaces à de faibles tensions et des courants en raison de leurs capacités de faible résistance et de commutation rapides.

Applications

Figure 7: Structure de base MOSFET Vs.Structure de base IGBT

Les utilisations de ces appareils reflètent leurs forces.Les IGBT sont couramment utilisés dans des situations de haute puissance telles que les entraînements moteurs, les onduleurs de puissance et les systèmes de chauffage à induction en raison de leur capacité à gérer une tension et un courant à haute tension.Les MOSFET sont meilleurs pour les applications qui priorisent la commutation et l'efficacité rapides à des niveaux de puissance inférieurs, tels que les circuits de commutation électroniques et les régulateurs de tension.

Exigences de conduite de la porte

Enfin, les exigences de conduite des portes diffèrent entre les IGBT et les MOSFET.Les IGBT ont besoin d'une tension positive sur la porte par rapport à l'émetteur pour s'allumer et désactiver en réduisant la tension de la porte.Les MOSFET, cependant, ont besoin d'une tension positive sur la porte par rapport à la source pour allumer et éteindre, ce qui rend leur entraînement de porte plus simple et plus simple.

Conclusion

Les SI IGBT et les MOSFET SIC ont des forces uniques qui conviennent à différentes applications de haute puissance.Les SI IGBT sont excellents pour gérer les courants importants et les hautes tensions et sont moins chers à produire, ce qui les rend fiables pour des utilisations traditionnelles comme les moteurs industriels et les réseaux électriques.Cependant, ils peuvent surchauffer et changer plus lentement, ce qui peut être un problème dans des environnements à grande vitesse ou très chauds.

D'un autre côté, les MOSFET sic gèrent mieux la chaleur, changent plus rapidement et sont plus efficaces, ce qui en fait un favori pour les utilisations modernes comme les voitures électriques et les systèmes industriels haute performance.Bien qu'ils coûtent plus cher au début et aient besoin de circuits de conduite plus complexes, des améliorations continues de la technologie SIC réduisent ces problèmes, ce qui entraîne une utilisation plus large.

Le choix entre SI IGBTS et MOSFETS SIC dépend des besoins spécifiques de l'application, tels que la tension et les niveaux de courant, la vitesse de commutation et la gestion de la chaleur.En utilisant les forces de chaque appareil, les ingénieurs peuvent concevoir et construire de meilleurs systèmes électroniques de puissance, stimuler les améliorations et l'efficacité dans divers domaines technologiques.

Questions fréquemment posées [FAQ]

1. Quel est le meilleur IGBT ou MOSFET?

Le choix entre IGBT et MOSFET dépend de ce dont vous avez besoin.Les MOSFET sont généralement meilleurs pour les tâches de puissance faible à moyenne qui nécessitent des vitesses de commutation rapides et une bonne gestion de la chaleur.Ils sont bons pour des choses comme les alimentations et les contrôleurs de moteur.Les IGBT, en revanche, sont meilleurs pour les tâches de haute puissance car ils peuvent gérer des courants plus importants et des tensions plus élevées, ce qui les rend idéales pour les moteurs industriels et les onduleurs de puissance.

2. IGBT peut-il remplacer MOSFET?

Parfois, les IGBT peuvent remplacer les MOSFET, en particulier dans les tâches de haute puissance où la gestion de gros courants et tensions est très nécessaire.Cependant, parce que les IGBTs changent plus lentement et manipulent la chaleur différemment, ils peuvent ne pas être bons pour les tâches qui nécessitent une commutation très rapide et une faible perte de puissance, où les MOSFET sont meilleurs.

3. Comment savoir si j'ai IGBT ou MOSFET?

Pour savoir si vous avez un IGBT ou un MOSFET, consultez le numéro de pièce et les détails du fabricant.Les feuilles de données vous diront si l'appareil est un IGBT ou un MOSFET.Ils peuvent se ressembler, vous devez donc vérifier la documentation ou les marques sur le composant.

4. Quel est le dispositif de commutation le plus rapide IGBT ou MOSFET?

Les MOSFET sont généralement les dispositifs de commutation les plus rapides par rapport aux IGBT.Ils peuvent changer à des vitesses beaucoup plus élevées, ce qui les rend adaptés aux tâches qui nécessitent une commutation rapide, comme dans les alimentations et les onduleurs à haute fréquence.

5. Comment savoir si j'ai IGBT ou MOSFET?

Vous pouvez savoir si vous avez un IGBT ou un MOSFET en regardant les marques du composant et en les comparant avec des fiches techniques ou des détails du fabricant.Ces documents donnent des informations détaillées sur le type de dispositif semi-conducteur, y compris s'il s'agit d'un IGBT ou d'un MOSFET.