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MOSFET VS BJT VS IGBT

Feb 01st, 2020 | by: ELECTRONOOBS
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Si siempre se preguntó qué transistor de potencia debería usar para sus circuitos, en este artículo veremos las principales diferencias entre el IGBT, el BJT y, por supuesto, el MOSFFET. Como diseñador, ¿tendrá que determinar si usar BJT o MOSFET en la etapa de potencia de la aplicación? ¿O debería el diseñador usar IGBT? ¿Trabajarían en el diseño? ¿Estarían mejor? Entonces, hay varias opciones, pero ¿cuál es la mejor?

La respuesta no es sencilla, yo diría: " Depende. "Y sí, no es una respuesta muy informativa o satisfactoria, pero déjame explicarte. Sin embargo, la respuesta es válida, ya que la selección realmente depende de una gran variedad de factores y aspectos para el proyecto que desea diseñar. Por ejemplo, el área de su aplicacióneso podría ser control de motor, fuente de alimentación o quizás amplificadores de audio y eso influirá en su elección. La técnica de modulación de la potencia de carga también será importante y podría ser lineal, control de conmutación o estática. Finalmente, la frecuencia de operación también es importante. Primero deberá definir claramente sus criterios de diseño y enfoque, luego puede comenzar a evaluar las ventajas y las compensaciones de los diversos semiconductores de potencia disponibles.

Video de teoría



PARTE 1 - Puerta o base / Canal o unión


Canales o cruces? ¿Cuántos? ¿Que tipo? Estos y otros aspectos de la geometría y construcción del dispositivo interno podrían ser una forma de ver los semiconductores de potencia, ya que de hecho son diferentes para los diferentes tipos de dispositivos de potencia de estado sólido. Pero ese enfoque podría alejarnos del punto real, que es cómo se controla el dispositivo para variar la corriente de carga.
Tenga en cuenta que variar la corriente a través de la carga de manera controlada es la función principal (la razón de ser, si lo desea) de cualquier dispositivo semiconductor de potencia. Tiene una carga a través de la cual desea conducir la corriente, y el estado de ese flujo de corriente (ya sea completamente encendido, completamente apagado o en algún nivel intermedio predeterminado) es una función de una señal entregada al terminal de control del dispositivo semiconductor de potencia .

Hay varias consideraciones que orientarán su elección de tecnología de transistor de potencia. Entre ellos se encuentran la magnitud de la corriente que requiere su carga particular, el voltaje deseado que se aplicará a través de la carga para lograr esa corriente y la tasa máxima de cambio de corriente (dI / dt) y voltaje (dV / dt) requeridos.

En pocas palabras, hay tres parámetros clave de rendimiento que nos ayudan a comprender qué tecnología de transistor de potencia podría adaptarse mejor a su diseño de etapa de potencia: voltaje de funcionamiento máximo, corriente de funcionamiento máxima y frecuencia de conmutación máxima.

PARTE 2 - Seleccione la potencia


Lo primero es lo primero que debe decidir qué cantidad de energía necesitará su sistema y para eso debe decidir:

- Voltaje y corriente
máximos - Frecuencia máxima de operación
- Parámetros reactivos de su carga (inductancia de carga y capacitancia de carga)
- Características de CC ( e incluso posibles características de falla) de su carga

Tener sus características de carga bien definidas significa que está listo para explorar el menú de opciones para conducir su carga. La lista de entradas incluye no solo transistores de alta potencia populares como MOSFET, BJT e IGBT, sino también tarifas de tiristores más exóticos como Triacs y SCR (para el paladar restringido de las dietas DC solo pulsantes o AC, que abordaremos en un futuro artículo). Y, por supuesto, existen los acompañamientos necesarios, como los rectificadores ultrarrápidos y Schottky (ningún diseño de potencia está completo sin ellos, pero ese también es un artículo futuro). Examine este menú de dispositivos de estado sólido, tres terminales y alta potencia y verá que cada uno controla la carga de manera diferente.

BJT El BJT varía su corriente de salida (definida aquí como la corriente que fluye a través del dispositivo desde el emisor al colector o viceversa) de acuerdo con la corriente de su unidad base multiplicada por su ganancia de corriente (hFE). Debido a esto, el BJT a menudo se describe como un dispositivo controlado por corriente.

MOSFET En contraste, el MOSFET se describe como un dispositivo controlado por voltaje, porque su corriente de salida varía en función de un pequeño voltaje aplicado a su puerta. Funcionalmente, lo que está sucediendo es que el campo electrostático de la puerta está afectando y afectando la resistencia del canal de fuente a drenaje del dispositivo (de ahí el término "transistor de efecto de campo").

IGBT El IGBT también puede considerarse un dispositivo controlado por voltaje, ya que su corriente de salida también es función de un pequeño voltaje aplicado a su puerta. Sin embargo, difiere funcionalmente en que este voltaje de señal de control modula una resistencia de canal que a su vez también varía el número de portadores de corriente (tanto electrones como agujeros) disponibles para transportar corriente desde el terminal del emisor al terminal del colector.

PARTE 3 - Comparación de tecnología y compensaciones


Ahora que he abierto su apetito, examinemos esta tríada de tipos de transistores de potencia con un poco más de profundidad. Centraremos esta mirada más cercana al limitar nuestra comparación a su uso como transistores de conmutación de alta potencia. Esto es apropiado ya que la mayoría de las aplicaciones modernas de circuitos de potencia, incluso audio, utilizan modulación de ancho de pulso (PWM) para controlar la potencia en una carga, ya sea un transformador, inductor, bobinado de motor, LED, lámpara, resistencia o incluso un altavoz. Esto se debe a que PWM es inherentemente más eficiente que el control / regulación lineal de una carga. Por lo tanto, desde este enfoque, también debemos observar el rendimiento de la velocidad de conmutación de los transistores de potencia, no solo las capacidades de manejo de voltaje y corriente.

- Un transistor de unión bipolar diseñado para su uso como transistor de alta potencia exhibirá una ganancia de corriente bastante modesta (con hFE en el rango de un solo dígito a bajo de dos dígitos). Y aunque es capaz de funcionar como un amplificador de RF, las complejidades de proporcionar la corriente de accionamiento base significativa en una aplicación de conmutación generalmente limitan el uso a 100 kHz o menos. Dentro de este rango de velocidad de conmutación, hay BJT que pueden manejar eficientemente decenas de amperios mientras soportan voltajes de varios cientos a mil voltios o más. En términos de comparación con las otras dos tecnologías de transistores de potencia, podemos considerar el BJT como un dispositivo de alto voltaje, pero de baja corriente.

- Por el contrario, MOSFETdiseñados para su uso como transistores de alta potencia, generalmente serán dispositivos de alta corriente, pero de bajo voltaje. Las frecuencias de conmutación de hasta 500 kHz son factibles, y hay MOSFET que pueden transportar varios cientos de amperios, pero generalmente están limitados a voltajes muy inferiores a 100V. Una ventaja significativa de los MOSFET es que los circuitos necesarios para conducir la puerta son muy simples y de baja potencia.

- Curiosamente, los IGBTfueron desarrollados específicamente como transistores de potencia, con el objetivo de combinar tanto alta corriente como alto voltaje. En este papel, han suplantado tanto BJT como MOSFET (así como tiristores) en muchas aplicaciones de alta potencia. ¡Hay dispositivos bastante impresionantes en esta tecnología que pueden manejar corrientes superiores a 1000A mientras cambian varios miles de voltios! Sin embargo, tienen limitaciones, ya que la velocidad de conmutación es significativa. Los fabricantes de estos dispositivos trabajan continuamente para mejorar la velocidad de conmutación (específicamente reduciendo el tiempo de caída) y, en las décadas desde que se introdujeron comercialmente los IGBT, las velocidades de conmutación casi se han triplicado. Sin embargo, las velocidades de conmutación prácticas para diseños de etapa de potencia IGBT de alta potencia rara vez superan los 50 kHz.


PARTE 4 - Otros parámetros


Los parámetros clave para comparar los transistores de potencia se muestran en la siguiente foto a continuación. Además de evaluar estos parámetros clave, también debe considerar los comportamientos reactivos y de falla de su carga al revisar y comparar las hojas de datos del transistor de potencia. Por ejemplo, los IGBT pueden enclavarse (como un tiristor) si están sujetos a una corriente de cortocircuito que excede su tiempo de resistencia a cortocircuito (tSC) en microsegundos. Y las cargas inductivas pueden crear grandes picos de voltaje que pueden exceder el voltaje de ruptura de un BJT, o sobrecargar la capacidad de energía de avalancha del diodo del cuerpo de un MOSFET (EAS).

Entonces, como puede ver en el esquema anterior, tenemos 3 bobinas en la salida. Por ahora no importa la bobina L3, porque esa será la bobina de salida que creará el campo magnético. Tenemos 2 bobinas, L1 y L2 y un condensador, C1. Tendremos resonancia como antes, pero esta vez será diferente y nunca se detendrá. Como puede ver, también tenemos dos diodos, D1 y D2, que están conectados a la puerta de dos transistores, T1 y T2. Cuando la señal oscila por primera vez en C1, habrá un voltaje positivo en un lado de C1 y un voltaje negativo en el otro lado de C1. Entonces, un diodo permitirá el flujo de corriente y el otro no. Entonces, un transistor se encenderá y el otro se apagará. Pero solo unos momentos después, debido a este proceso, la polaridad en C1 cambiará y eso activará el segundo transistor y apagará el otro. Y este proceso se repetirá una y otra vez y eso cambiará el flujo de corriente dentro de la bobina L3, porque como puede ver, una enf de esa bobina está conectada a 15V y el otro extremo estará conectado a negativo o positivo y creando así un corriente oscilante Eso creará el campo magnético oscilante.

PARTE 5 - Mejor vista 3D


Hemos discutido los tres parámetros clave de rendimiento que nos ayudan a comprender qué tecnología de transistor de potencia podría adaptarse mejor al diseño de su etapa de potencia. Para reiterar, estos son el voltaje de funcionamiento máximo, la corriente de funcionamiento máxima y la frecuencia de conmutación máxima. Estos y otros parámetros de la hoja de datos proporcionan al diseñador la información técnica necesaria para tomar decisiones de diseño reflexivas. Pero a menudo los diseñadores también desean saber cómo se utilizan comúnmente estos dispositivos en aplicaciones comerciales / industriales del mercado, ya que esto proporciona información sobre cómo otros diseñadores han evaluado el rendimiento y las compensaciones de costos.

Este gráfico ilustra el espacio de aplicaciones del transistor de potencia en tres dimensiones. Cada eje del gráfico representa uno de los tres parámetros clave de rendimiento, y cada tecnología de transistor de potencia está representada por una flecha de color diferente.

Por ejemplo, en la parte superior del gráfico, observará una barra que representa pequeñas aplicaciones de vehículos eléctricos (por ejemplo, carros de golf, carretillas elevadoras eléctricas). Los controladores de motor en estos generalmente operan a voltajes de 48V a 72V y corrientes de hasta varios cientos de amperios, y comúnmente utilizan MOSFETs PWM que hacen funcionar el motor a frecuencias de alrededor de 20 kHz (cómodamente por encima del oído humano).

Como advertencia, los datos que conducen este gráfico se consideran anecdóticos, ya que se extraen de mi propia observación personal. Lo he proporcionado con la esperanza de compartir mi visión de cuatro décadas en la industria trabajando con una amplia gama de clientes y aplicaciones.


Conclusión Ahora debe tener una buena idea de sus opciones y dónde comenzar al elegir el tipo de transistor de potencia que utilizará en su próximo diseño de alta potencia. Esté atento a futuros artículos sobre temas relacionados.

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