تفاوت IGBT و MOSFET در چیست ؟
در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی و صنعتی، لازم است جریان برق با سرعت زیادی قطع و وصل شود. IGBT و MOSFET دو سوئیچ نیمههادی پرکاربرد هستند که در اینورتر، درایو کنترل دور موتور، منبع تغذیه، UPS و تجهیزات خورشیدی بهکار میروند. در این مقاله تفاوت آنها را از نظر سرعت، ولتاژ، توان، تلفات، حرارت و کاربرد بررسی میکنیم.
چرا در اینورتر به سوئیچ قدرت نیاز داریم؟
وظیفه اصلی اینورتر، تولید خروجی AC با ولتاژ و فرکانس کنترلشده است. اینورتر ابتدا برق ورودی را به ولتاژ DC تبدیل میکند. سپس چند سوئیچ قدرت، ولتاژ DC را با سرعت زیاد قطع و وصل میکنند. نتیجه این سوئیچینگ سریع، پالسهایی است که در نهایت خروجی مناسب برای کنترل موتور یا تغذیه بار را ایجاد میکنند.
در یک اینورتر سهفاز، چند سوئیچ قدرت در کنار یکدیگر کار میکنند. مدار کنترل زمان روشن و خاموش شدن هر سوئیچ را مشخص میکند تا سه فاز خروجی با فرکانس و ولتاژ موردنیاز تولید شوند. این عملیات در هر ثانیه هزاران بار تکرار میشود.
MOSFET چیست؟
MOSFET یک قطعه نیمههادی قدرت است که مانند یک کلید بسیار سریع عمل میکند. این قطعه با دریافت یک فرمان ولتاژی از مدار کنترل، مسیر جریان اصلی را قطع یا وصل میکند.
برای روشن کردن MOSFET، ولتاژ مناسبی به Gate اعمال میشود. پس از دریافت فرمان، مسیر بین Drain و Source هدایت میکند. با حذف فرمان، قطعه خاموش میشود و عبور جریان را متوقف میکند.
مهمترین ویژگی MOSFET سرعت بالای آن است. این قطعه در زمان بسیار کوتاهی روشن و خاموش میشود و برای مدارهایی که به فرکانس سوئیچینگ بالا نیاز دارند، انتخاب مناسبی است.
در حالت روشن، مسیر MOSFET دارای مقاومت داخلی RDS(on) است. عبور جریان از این مقاومت باعث افت ولتاژ و تولید حرارت میشود. MOSFETهای ولتاژ پایین معمولاً مقاومت روشن کمی دارند؛ اما در MOSFETهای سیلیکونی با افزایش ولتاژ قابل تحمل، مقاومت روشن نیز معمولاً بیشتر میشود.
IGBT چیست؟
IGBT نیز یک سوئیچ نیمههادی قدرت است. این قطعه با دریافت فرمان از مدار درایور روشن و خاموش میشود و جریان بخش قدرت را کنترل میکند.
روش فرماندهی IGBT از نظر ولتاژی شبیه MOSFET است. مدار درایور با اعمال ولتاژ مناسب به Gate قطعه را روشن میکند و با حذف این فرمان، IGBT خاموش میشود.
مهمترین ویژگی IGBT، عملکرد مناسب آن در بسیاری از مدارهای دارای ولتاژ و جریان بالا است. به همین دلیل در اینورترهای صنعتی، درایوهای موتور، UPSهای پرتوان و دستگاههای جوش کاربرد زیادی دارد.
هنگامی که IGBT روشن است، مقداری افت ولتاژ بین Collector و Emitter ایجاد میشود. عبور جریان از قطعه در کنار این افت ولتاژ باعث تولید حرارت خواهد شد.
تفاوت اصلی IGBT و MOSFET چیست؟
برای درک ساده تفاوت IGBT و MOSFET میتوان آنها را به دو نوع کلید تشبیه کرد.
MOSFET
کلید سریع
برای مدارهایی مناسب است که سوئیچ باید در هر ثانیه دفعات زیادی روشن و خاموش شود.
IGBT
کلید صنعتی قدرت
معمولاً سرعت کمتری دارد، اما در بسیاری از مدارهای ولتاژ و جریان بالاتر عملکرد مناسبی ارائه میدهد.
مقایسه IGBT و MOSFET از نظر ولتاژ
MOSFETهای سیلیکونی در ولتاژهای پایین و متوسط عملکرد بسیار خوبی دارند. در این محدوده میتوان MOSFETهایی با مقاومت روشن کم انتخاب کرد. با افزایش ولتاژ نامی MOSFET سیلیکونی، مقاومت داخلی آن معمولاً افزایش پیدا میکند و در جریان زیاد ممکن است حرارت قابلتوجهی تولید شود.
IGBT در بسیاری از کاربردهای ولتاژ بالا، تلفات هدایتی مناسبی دارد. به همین دلیل در اینورترهای صنعتی با باس DC بالا، استفاده از IGBT رایج است.
مقایسه IGBT و MOSFET از نظر سرعت
سرعت سوئیچینگ یکی از مهمترین تفاوتهای IGBT و MOSFET است. MOSFET معمولاً سریعتر روشن و خاموش میشود و امکان استفاده از آن در فرکانسهای سوئیچینگ بالاتر وجود دارد.
افزایش فرکانس سوئیچینگ در بعضی مدارها باعث میشود بتوان از سلف، ترانسفورماتور یا فیلتر کوچکتری استفاده کرد. این ویژگی در منابع تغذیه سوئیچینگ اهمیت زیادی دارد.
IGBT معمولاً سرعت کمتری دارد. یکی از دلایل مهم، ادامه کوتاه جریان هنگام خاموش شدن قطعه یا Tail Current است. هرچه دفعات سوئیچینگ بیشتر شود، مجموع انرژی تلفشده نیز افزایش پیدا میکند. به همین دلیل MOSFET در کاربردهای پرفرکانس معمولاً انتخاب مناسبتری است و IGBT بیشتر در فرکانسهای پایینتر و متوسط استفاده میشود.
تلفات هدایتی چیست؟
زمانی که IGBT یا MOSFET روشن است، جریان از داخل آن عبور میکند. قطعه در برابر عبور جریان مقداری افت ایجاد میکند و بخشی از انرژی به حرارت تبدیل میشود. به گرمای ایجادشده در زمان روشن بودن قطعه، تلفات هدایتی گفته میشود.
در MOSFET
تلفات هدایتی بیشتر به مقاومت روشن قطعه و جریان عبوری بستگی دارد. با افزایش جریان، گرمای ناشی از RDS(on) میتواند بهسرعت افزایش پیدا کند.
در IGBT
افت ولتاژ بین Collector و Emitter در حالت روشن، در کنار جریان عبوری، بخش مهمی از تلفات هدایتی را تشکیل میدهد.
در جریانهای پایین، MOSFET ممکن است تلفات کمتری داشته باشد. در بعضی مدارهای دارای ولتاژ و جریان بالا، IGBT میتواند از نظر تلفات هدایتی انتخاب مناسبتری باشد.
تلفات سوئیچینگ چیست؟
IGBT و MOSFET نمیتوانند بدون صرف زمان از حالت کاملاً خاموش به کاملاً روشن بروند. هرچند این زمان بسیار کوتاه است، در لحظه تغییر وضعیت مقداری انرژی تلف میشود. به این انرژی، تلفات سوئیچینگ گفته میشود.
هر بار که قطعه روشن یا خاموش میشود، مقداری تلفات ایجاد خواهد شد. بنابراین با افزایش فرکانس سوئیچینگ، تعداد این اتفاقها در هر ثانیه افزایش پیدا میکند.
دیود در IGBT و MOSFET چه نقشی دارد؟
در مدارهای اینورتر و کنترل موتور، جریان سیمپیچ نمیتواند در یک لحظه متوقف شود. پس از خاموش شدن یک سوئیچ، بار القایی تلاش میکند جریان را برای مدت کوتاهی ادامه دهد. به همین دلیل باید مسیر دیگری برای عبور جریان فراهم شود.
MOSFET قدرت بهطور طبیعی یک دیود داخلی دارد که Body Diode نامیده میشود. IGBT بهتنهایی چنین دیودی ندارد؛ بنابراین معمولاً یک دیود موازی معکوس در کنار آن قرار میگیرد که در مدارهای اینورتر بهعنوان دیود هرزگرد یا Freewheel Diode عمل میکند.
در بسیاری از ماژولهای قدرت، IGBT و دیود مربوط به آن داخل یک پکیج مشترک قرار دارند و ممکن است دیود بهصورت یک قطعه جدا روی برد دیده نشود.
برای اینورتر IGBT بهتر است یا MOSFET؟
پاسخ به نوع اینورتر و شرایط مدار بستگی دارد. هیچکدام از این دو قطعه در تمام کاربردها بهترین انتخاب نیستند.
MOSFET معمولاً مناسبتر است برای:
- اینورترها و مبدلهای کمولتاژ
- UPSهای کوچک و مدارهای متصل به باتری
- منابع تغذیه سوئیچینگ پرفرکانس
- مدارهایی که سرعت سوئیچینگ بالا اولویت دارد
IGBT معمولاً مناسبتر است برای:
- بسیاری از اینورترهای صنعتی سهفاز
- درایوهای موتور با ولتاژ باس بالا
- UPSهای پرتوان و دستگاههای جوش
- کاربردهایی که جریان و توان بالاتر اهمیت دارد
معیارهای نهایی انتخاب
جدول مقایسه IGBT و MOSFET
| معیار | MOSFET | IGBT |
|---|---|---|
| روش فرمان | کنترل ولتاژی از Gate | کنترل ولتاژی از Gate |
| ترمینالهای اصلی | Gate, Drain, Source | Gate, Collector, Emitter |
| سرعت سوئیچینگ | معمولاً بالاتر | معمولاً پایینتر |
| فرکانس مناسب | متوسط تا بسیار بالا | پایین تا متوسط، بسته به قطعه |
| عملکرد در ولتاژ پایین | معمولاً بسیار مناسب | اغلب مزیت کمتری نسبت به MOSFET دارد |
| کاربرد با باس DC بالا | وابسته به فناوری و طراحی مدار | در بسیاری از درایوهای صنعتی رایج است |
| عامل اصلی تلفات هدایتی | RDS(on) و جریان | VCE(sat) و جریان |
| دیود موازی | Body Diode داخلی | دیود جدا یا دیود داخل ماژول |
| کاربردهای رایج | باتری، منابع تغذیه و مبدلهای پرفرکانس | درایو موتور، UPS پرتوان، جوش و اینورتر صنعتی |
جمعبندی
IGBT و MOSFET هر دو از مهمترین سوئیچهای نیمههادی قدرت هستند. این قطعات با دریافت فرمان از مدار کنترل، جریان بخش قدرت را قطع و وصل میکنند.
MOSFET معمولاً سرعت سوئیچینگ بیشتری دارد و در ولتاژهای پایین، مدارهای باتریمحور و تجهیزات پرفرکانس عملکرد مناسبی ارائه میدهد. IGBT معمولاً در ولتاژها و جریانهای بالاتر و در تجهیزاتی مانند اینورتر صنعتی، سروودرایو، UPS پرتوان و دستگاه جوش استفاده میشود.
نمیتوان یکی از این دو قطعه را در تمام شرایط بهتر دانست. برای انتخاب صحیح باید ولتاژ، جریان، فرکانس سوئیچینگ، نوع بار، دمای کاری و سیستم خنککاری با یکدیگر بررسی شوند.
سوالات متداول
آیا IGBT همیشه برای اینورتر بهتر از MOSFET است؟
چرا MOSFET در فرکانس بالا مناسبتر است؟
چرا در بسیاری از اینورترهای صنعتی از IGBT استفاده میشود؟
دیود کنار IGBT چه کاری انجام میدهد؟
برای انتخاب یا تعمیر اینورتر صنعتی نیاز به مشاوره دارید؟
مشخصات درایو، موتور و کاربرد را ارسال کنید تا شرایط فنی دقیقتر بررسی شود.