MOSFET IGBT – różnice w układach mocy

W układzie, który steruje silnikiem, grzałką albo przetwornicą, wybór elementu mocy wpływa na sprawność, temperaturę i trwałość całego urządzenia. MOSFET IGBT to dwa typy tranzystorów często traktowane jako zamienne, choć w praktyce działają najlepiej w innych zakresach napięć, prądów i częstotliwości. Dobór na podstawie samego napięcia oraz maksymalnego prądu z katalogu zwykle kończy się przegrzewaniem, zakłóceniami albo uszkodzeniem przy pierwszym większym obciążeniu.

MOSFET IGBT – różnica, która zmienia projekt

MOSFET jest tranzystorem sterowanym napięciem, bardzo szybkim i szczególnie użytecznym w układach nisko- oraz średnionapięciowych. Po pełnym otwarciu jego straty przewodzenia wynikają głównie z rezystancji kanału RDS(on). Im niższa rezystancja, tym mniejszy spadek napięcia i mniejsze wydzielanie ciepła przy przepływie prądu.

IGBT łączy cechy tranzystora MOSFET i bipolarnego. Bramkę również steruje się napięciowo, jednak przewodzenie ma inny charakter. W stanie włączenia na tranzystorze występuje określony spadek napięcia VCE(sat), a nie rezystancja porównywalna z RDS(on). IGBT zwykle dobrze sprawdza się przy wysokich napięciach i znacznych mocach, ale przełącza wolniej niż MOSFET.

Najkrótsza zasada jest prosta: przy niższych napięciach i wysokiej częstotliwości najczęściej wygrywa MOSFET. W układach zasilanych z sieci, falownikach, spawarkach, napędach oraz przekształtnikach o dużej mocy często uzasadniony jest IGBT. Nie jest to jednak sztywna granica. Nowoczesne MOSFET-y wysokiego napięcia, moduły IGBT i tranzystory SiC przesuwają ją zależnie od konstrukcji układu.

Kiedy zastosować MOSFET

MOSFET jest naturalnym wyborem w sterownikach 12 V, 24 V i 48 V, w elektronice samochodowej, modułach Arduino, sterowaniu taśmami LED, pompami DC, elektrozaworami oraz silnikami szczotkowymi. Spotyka się go także w przetwornicach impulsowych, gdzie częstotliwość przełączania może wynosić od kilkudziesięciu kiloherców do znacznie wyższych wartości.

O jego przydatności decydują małe straty podczas szybkiego przełączania. Każde przejście między stanem wyłączenia i pełnego przewodzenia powoduje chwilowe jednoczesne występowanie napięcia i prądu. Wtedy powstają straty przełączania. Im krócej trwa ten stan, tym mniej energii zamienia się w ciepło.

Przy doborze MOSFET-a nie wystarczy szukać najniższego RDS(on). Parametr ten jest podawany dla określonego napięcia bramki i temperatury, często dla VGS = 10 V. Tranzystor sterowany bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera 3,3 V lub 5 V może nie otworzyć się wystarczająco mocno, mimo że na schemacie działa. Do takich zastosowań należy wybierać wersje logic-level, z parametrami RDS(on) określonymi przy napięciu, które rzeczywiście zapewnia sterownik.

Warto również pamiętać, że rezystancja kanału rośnie wraz z temperaturą. Tranzystor o RDS(on) 10 mΩ w temperaturze pokojowej może mieć znacznie większą rezystancję po rozgrzaniu. Dlatego obliczenia cieplne trzeba wykonywać z zapasem, a nie na granicy danych katalogowych.

Przykład dla obciążenia 24 V

Jeżeli silnik pobiera 20 A, a MOSFET ma RDS(on) 15 mΩ, strata przewodzenia wyniesie w przybliżeniu I² × R, czyli 20² × 0,015 = 6 W. To już moc wymagająca sensownego odprowadzania ciepła przez pole miedzi na PCB, radiator lub oba rozwiązania jednocześnie. Przy temperaturze roboczej strata będzie większa.

W takim obwodzie znaczenie ma również prąd rozruchowy silnika. Może on przez krótką chwilę wielokrotnie przekroczyć prąd nominalny. Tranzystor musi wytrzymać ten impuls w bezpiecznym obszarze pracy, a ścieżki, złącza, przewody i bezpiecznik muszą być dobrane do realnych warunków instalacji.

Gdzie IGBT ma przewagę

IGBT stosuje się przede wszystkim tam, gdzie napięcie magistrali jest wysokie, a częstotliwość przełączania nie musi być ekstremalna. Typowe zastosowania obejmują falowniki do silników AC, układy zasilane z prostowanej sieci, sterowniki dużych grzałek, spawarki, przetwornice dużej mocy i urządzenia przemysłowe.

Przy napięciu kilkuset woltów rezystancja kanału klasycznego MOSFET-a może powodować duże straty przewodzenia. IGBT ze swoim spadkiem VCE(sat) bywa wtedy korzystniejszy, zwłaszcza przy wysokim prądzie. Trzeba jednak zapłacić za to większymi stratami przy wyłączaniu. Charakterystyczny ogon prądowy IGBT sprawia, że energia tracona podczas przełączenia rośnie wraz z częstotliwością.

Dlatego tranzystor IGBT pracujący przy 10 kHz może być bardzo rozsądnym rozwiązaniem, lecz przy 100 kHz zwykle zacznie generować zbyt dużo ciepła. Dokładna wartość zależy od typu elementu, napięcia, obciążenia, temperatury i układu sterownika. Dane o energii Eon oraz Eoff z noty katalogowej są tu bardziej użyteczne niż sama informacja o maksymalnej częstotliwości.

Nie porównuj wyłącznie amperów i woltów

Napięcie VDS dla MOSFET-a lub VCES dla IGBT powinno mieć wyraźny zapas względem najwyższego napięcia występującego w układzie. W instalacji 24 V przepięcia od silnika, długich przewodów i indukcyjności mogą znacznie przekroczyć nominalne 24 V. W obwodach sieciowych po wyprostowaniu 230 V AC pojawia się około 325 V DC, a do tego dochodzą przepięcia komutacyjne.

Prąd ciągły z katalogu także może wprowadzać w błąd. Często podawany jest dla idealnego chłodzenia obudowy lub temperatury, której nie da się osiągnąć w małym projekcie. Znacznie praktyczniejsze są analiza rezystancji termicznej, charakterystyki deratingu oraz bezpiecznego obszaru pracy SOA. Element o deklarowanym prądzie 100 A nie zawsze bezpiecznie obsłuży 100 A w realnej obudowie i na typowej płytce.

W układach przełączających warto sprawdzić także maksymalną energię lawinową MOSFET-a, odporność na zwarcie IGBT, dopuszczalne dv/dt i di/dt oraz parametry diody. Parametry te decydują o tym, czy tranzystor przeżyje zakłócenie, zwarcie chwilowe lub niekorzystny moment przełączania.

Sterowanie bramką decyduje o stratach

MOSFET i IGBT nie pobierają dużego prądu stałego do sterowania bramką, ale przy przełączaniu trzeba szybko naładować i rozładować jej pojemność. Zbyt słaby sterownik wydłuża zbocza napięcia, zwiększa straty i może powodować pracę tranzystora w częściowym otwarciu.

W MOSFET-ach należy sprawdzić ładunek bramki Qg, a nie tylko pojemność wejściową Ciss. Qg lepiej opisuje wymagania wobec drivera w warunkach przełączania. Rezystor bramkowy ogranicza prądy impulsowe i pomaga opanować oscylacje, lecz jego zbyt duża wartość niepotrzebnie spowalnia tranzystor. Dobiera się go pomiarowo, obserwując przebiegi oscyloskopem w docelowej instalacji.

Dla IGBT często stosuje się dedykowane drivery, izolację galwaniczną i osobne rezystory dla włączania oraz wyłączania. W mostkach półmostkowych i trójfazowych krytyczny jest martwy czas. Za krótki może wywołać zwarcie przez oba klucze jednej gałęzi, a za długi zwiększa straty i pogarsza sterowanie silnikiem.

Obciążenie indukcyjne wymaga kompletnego układu

Silnik, cewka przekaźnika, elektromagnes i transformator magazynują energię. Po wyłączeniu tranzystora energia ta musi znaleźć bezpieczną drogę rozładowania. W prostych układach DC stosuje się diodę wolnego biegu, dobraną pod prąd, napięcie wsteczne i szybkość działania. W aplikacjach szybkich lub wymagających kontrolowanego hamowania potrzebny może być transil, snubber RC albo aktywne ograniczanie przepięć.

W mostkach H oraz falownikach znaczenie ma zachowanie diody zwrotnej i jej odzyskiwanie. MOSFET ma wewnętrzną diodę body diode, ale nie oznacza to automatycznie, że jest ona optymalna dla każdej przetwornicy czy sterownika silnika. IGBT zazwyczaj pracuje z osobną diodą antyrównoległą, często zintegrowaną w module. Jej parametry mogą wprost decydować o sprawności całego stopnia mocy.

Montaż, chłodzenie i pomiar

Tranzystor dobiera się razem z obudową, radiatorem, izolacją, pastą termoprzewodzącą i sposobem montażu. Obudowa TO-220 jest wygodna w prototypach, ale przy większej mocy należy zweryfikować nacisk mocowania, izolację elektryczną radiatora i realny przepływ powietrza. W produkcji seryjnej przewidywalność termiczna jest równie ważna jak cena samego elementu.

Układ PCB powinien mieć możliwie krótkie pętle prądowe między kondensatorem magazynującym, tranzystorem i obciążeniem. Kondensator elektrolityczny zapewnia zapas energii, lecz szybkie impulsy powinien przejmować kondensator ceramiczny umieszczony blisko stopnia mocy. Długie ścieżki i przewody zwiększają indukcyjność, a wraz z nią przepięcia i emisję zakłóceń.

Po zmontowaniu warto mierzyć temperaturę obudowy, napięcie dren-źródło lub kolektor-emiter oraz przebieg bramki pod pełnym obciążeniem. Test bez obciążenia nie pokaże problemów z komutacją, prądem rozruchowym ani nagrzewaniem. W warsztacie przydają się też przewody o właściwym przekroju, pewne złącza, bezpiecznik oraz uporządkowany montaż, który ułatwia późniejszy serwis.

Dobry wybór między MOSFET-em a IGBT zaczyna się od warunków pracy, a nie od popularności konkretnego symbolu. Najpierw określ napięcie, prąd szczytowy, częstotliwość, rodzaj obciążenia i sposób chłodzenia. Dopiero potem porównaj straty, wymagania sterownika oraz dostępność elementów potrzebnych do zbudowania bezpiecznego, powtarzalnego układu.