mosfet транзистор

Биполярные транзисторы до 70-х годов являлись единственным электронным реле в составе силовых схем, пока не возникла технология МОП. Чтобы биполярный транзистор сработал, необходимо подать высокий ток, а полевые полупроводники управляются не током, а напряжением. В открытом состоянии их сопротивление ничтожно (ниже 0,1 Ом), ввиду чего потери во время работы минимальны. Благодаря этим достоинствам MOSFET-транзисторы очень быстро вытеснили биполярные проводники из схем импульсных преобразователей.

Далее в 80-х годах на профильном рынке появились биполярные полупроводники с изолированным затвором IGBT – синтез идей биполярного транзистора и МОП. Имея почти такие же параметры, как БП, IGBT управляется напряжением, как МОП. Проще говоря, IGBT взял от обеих технологий лучшее: максимальные нагрузочные характеристики и простоту управления.

Нужно отметить, что хотя igbt mosfet транзисторы в чём-то схожи, они всё же сильно отличаются. IGBT используются в аппаратуре с напряжением более 1000 V, а МОП предназначены для схем с напряжением менее 250 V. Внутри диапазона 250-1000 V могут работать и те, и другие полупроводники – это зависит от конкретной задачи. Учитываются габаритные размеры, цена, специфика эксплуатации, рабочие температуры, скорость срабатывания, паразитные характеристики.

Стандартные случаи использования IGBT:

1. ИБП (бесперебойники) с постоянной нагрузкой.
2. Сварочные инверторы.
3. Коммутация цепи питания мощного электромотора.
4. Промышленное освещение.

Предпочтительные варианты применения MOSFET:

• ток нагрузки меняется в широких пределах;
• частота срабатываний более 200 кГц;
• выходная мощность менее 500 Вт.

Критерии выбора

В непрекращающемся соперничестве МОП, модулей транзистора mosfet и биполярных полупроводников с изолированным затвором и те, и другие в состоянии демонстрировать очевидные преимущества в зависимости от конкретной специфики эксплуатации. Чтобы разработчик силового приложения мог верно выбрать тип прибора, необходимо ясно понимать особенности поведения каждого из электронных компонентов.

Если, к примеру, создаётся схема для погрузчика, работающего на пределе возможностей, перемещаясь по наклонной плоскости с максимально допустимыми грузами, то IGBT стал бы идеальным выбором. Если же погрузчик большую часть времени простаивает, а во время работы использует мощность на 30%, то лучше всего использовать МОП, поскольку они при стандартных условиях обеспечат более экономное расходование заряда АКБ.

Когда полупроводник работает при высокой частоте переключений и с короткими управляющими сигналами, выбирать следует силовой транзистор mosfet, который при таком режиме явно превосходит IGBT. Однако приходится учитывать ещё и колебания температуры воздуха, токи нагрузки и множество иных факторов, создаваемых реальными условиями эксплуатации электронного блока.

Модульная технология

С целью минимизации размеров плат силовой аппаратуры выпускается ряд готовых модулей, в состав которых входят транзисторы, диоды, сопротивления, микросхемы драйверов и пр. Разработчику остаётся лишь подобрать блок с необходимыми параметрами, обеспечивающий требуемую функциональность и корректно ввести его в общую схему, сэкономив немало времени.

В числе ярких достоинств готовых сборок – способность управлять высокими нагрузками, оптимизированный состав электронных компонентов, минимальные габариты, высокая производительность. 

Наглядный пример такого устройства – irf520 модуль mosfet транзистора, адресованный энтузиастам-электронщикам, создающим любительские проекты на основе конструктора Ардуино. В любом таком проекте необходим модуль, обеспечивающий качественное защищённое подключение контроллера к мощной нагрузке – насосу, электромотору, системе осветительных приборов, электромагнитному клапану. Данная модель позволяет коммутировать нагрузку до 5А и напряжение не более 24 V. Управляться может с помощью любого микроконтроллера. С помощью данного устройства «ардуинщики» построили немало эффективных схем управления яркостью светодиодов, оборотами электродвигателя, работой микронасосов и т.д.

Ведущие полупроводниковые бренды постоянно совершенствуют транзисторные сборки, повышая их эффективность, простоту интеграции в самые разнообразные схемы, снижая себестоимость и конечную цену для потребителей. На рисунке ниже представлены направления модернизации технологий в данной отрасли.

Передовые модульные разработки, превосходящие комплект дискретных компонентов по всем параметрам, открывает перед разработчиками силовых схем новые перспективы. Во-первых, такие устройства отличаются предельным удобством при монтаже ввиду самодостаточности модуля. Это полностью изолированный прибор с гармонизированными характеристиками. Во-вторых, благодаря тщательной проработке корпуса и основания обеспечивается эффективный отвод тепла во время работы. Если сравнивать с дискретным высоковольтным mosfet транзистором, у модуля тепловое сопротивление кристалл-охладитель снижено на 57% и пропорционально повышена рассеиваемая мощность. Это позволяет отказаться от радиатора, снижая габаритные размеры общей сборки.

Разработка единого стандарта

Недавно было объявлено об учреждении двух комитетов, перед которыми поставлена трудная задача по разработке единого стандарта для транзисторов, участвующих в силовых схемах. В настоящее время в этих процессах задействовано два типа полупроводниковых приборов – на основе карбида кремния и нитрида галлия. Один из вновь созданных комитетов станет заниматься стандартизацией SIC, а другой – GaN.

Переход на новую стандартизированную базу электронных компонентов вызван неразберихой в сфере производства, где занято более 50 известных брендов. У каждого производителя свои нормативы, маркировка, что затрудняет использование транзисторов и ремонт вышедшей из строя аппаратуры.