در تمامی مبدل های الکترونیک قدرت حداقل یک سوییچ قدرت وجود دارد که کنترل ولتاژ، جریان و توان خروجی یا عبارت دیگر کلیه عملکرد مبدل الکتریکی توسط روشن و خاموش شدن آن سوییچ قدرت انجام میگیرد.

سوییچ های الکترونیک قدرت انواع مختلفی دارند که عبارتند از:

  • دیود
  • تریستور
  • GTO
  • TRIAC
  • BJT
  • MOSFET
  • IGBT
  • MCT
  • IGCT

در این میان MOSFET و IGBT تقریبا پرکاربردترین سوییچ الکترونیک قدرت هستند. در این مقاله ساختار داخلی، نحوه عملکرد، مزایا و معایب این سوییچ های قدرت را بررسی میکنیم و بر این اساس نحوه انتخاب سوییچ قدرت برای مبدل های الکتریکی را معرفی میکنیم.

سیر تکامل

تا قبل از سال ۱۹۷۰ که ماسفت های قدرت معرفی شدند، از BJT ها به عنوان عنصر سوییچینگ استفاده میشد. BJT ها برای روشن شدن نیاز به جریان بیس زیادی داشتد و سرعت خاموش شدن آن ها به دلیل جریان دنباله دار آن ها پایین بود. همچنین این سوییچ ها پایداری حرارتی پایینی داشتند و کمترین ولتاژی که میتوانستند کار کنند همان ولتاژ اشباع آن ها بود.

اما ماسفت ها دیگر نیازی به جریان جهت روشن شدن ندارند و با ولتاژ کنترل میشوند و پایداری حرارتی ذاتی آن ها سبب عملکرد مناسب آنها در رنج گسترده دما است. مقاومت روشن شدن آن ها در حالت تئوری هیچ محدودیتی ندارد و تلفات هدایتی آن ها بسیار کم است. به علاوه ماسفت دارای یک دیود بدنه هستند که در بسیاری از کاربردها استفاده میشود. مزیت دیگر اینکه ماسفت ها جریان دنباله دار ندارند و این یعنی سرعت کلیدزنی بالاتر.

شماتیک ماسفت کانال N و کانال P

شماتیک ماسفت کانال N و کانال P

در سال ۱۹۸۰ IGBT نیز به جمع سوییچ های قدرتی آمد. IGBT از ترکیب ماسفت و BJT به وجود آمد و مشخصات خروجی آن مانند BJT است اما مانند MOSFET با ولتاژ کنترل میشود به عبارت دیگر IGBT میتواند مانند BJT جریان زیادی را تحمل کند اما مانند MOSFET به راحتی با ولتاژ گیت کنترل شود. اما دیود بدنه ندارد و جریان دنباله دار بزرگی دارد.

ساختمان داخلی IGBT

ساختمان داخلی IGBT

برخی از مدل های IGBT مخصوصا IGBT های اولیه، دارای پایداری حرارتی پایینی بودند و این امر باعث میشد که نتوان این سوییچ ها را با هم موازی کرد اما امروزه با استفاده از تکنولوژی NPT این مشکل رفع شده است. همچنین در بعضی مدل IGBT ها توسط کمپانی سازنده، دیود بدنه نیز ایجاد شده است.

MOSFET و IGBT، شبیه به هم اما متفاوت

با توجه به شکل زیر تنها تفاوت ساختار داخلی ماسفت و IGBT  وجود زیر لایه P در IGBT است. IGBT ها را معمولا در کاربردهایی به کار میبرند که ولتاژ بیش از ۱۰۰۰ ولت در دوسر سوییچ قرار میگیرد اما ماسفت ها بهترین انتخاب برای ولتاژ های کمتر از ۲۵۰ ولت هستند.

ساختار داخلی ماسفت و IGBT

ساختار داخلی ماسفت و IGBT

بین ولتاژ ۲۵۰ ولت تا ۱۰۰۰ ولت با توجه به سرعت کلیدزنی، شرایط کاری مدار، هزینه، سایز و ملاحضات حرارتی میتوان سوییچ را هم IGBT و هم MOSFET انتخاب کرد.

به طورکلی IGBT در شرایط زیر حتما به کار میرود:

  • دیوتی سایکل های کمتر ۵۰ درصد
  • فرکانس کلیدزنی کمتر از ۲۰ کیلوهرتز
  • ولتاژ کاری بالاتر از ۱۰۰۰ ولت
  • دمای قطعه بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد
  • توان های بالاتر از ۵ کیلو وات

کاربرد های مرسوم IGBT ها عبارت است از:

  • کنترل ذور موتور با فرکانس کمتر از ۲۰ کیلوهرتز و محافظت در برابر جریان راه اندازی و اتصال کوتاه
  • منابع تغذیه بدون وقفه UPS با بار ثابت یا با تغییرات کم
  • دستگاه های جوش کاری با جریان بالا و فرکانس کمتر از ۵۰ کیلوهرتز با کلیدزنی ZVS
  • تجهیزات روشنایی کم توان با فرکانس کمتر از ۱۰۰ کیلوهرتز

به طورکلی MOSFET در شرایط زیر حتما به کار میرود:

  • فرکانس کلیدزنی بالای ۲۰۰ کیلوهرتز
  • تغییرات گسترده بار و ورودی
  • دیوتی سایکل های بزرگ
  • ولتاژ های کمتر از ۲۵۰ ولت
  • توان های کمتر از ۵۰۰ وات

کاربرد های مرسوم MOSFET ها عبارت است از:

  • منابع تغذیه سوییچینگ، کلیدزنی سخت با فرکانس بیش از ۲۰۰ کیلوهرتز
  • منابع تغذیه سوییچینگ با کلیدزنی ZVS با توان زیر ۱۰۰۰ وات
  • شارژ باتری
نحوه انتخاب mosfet و IGBT بر حسب فرکانس و ولتاژ

نحوه انتخاب mosfet و IGBT بر حسب فرکانس و ولتاژ