انتخاب هوشمندانه ماسفت یا IGBT

برای این مبدل ماسفت استفاده کنم یا IGBT  ؟؟؟  حتما تا کنون بار ها بر سر این دو راهی قرار گرفته اید. اگر میخواهید بهتر راجب به انتخاب ماسفت یا IGBT نظر بدهید حتما این مقاله را بخوانید.

انواع سوییچ های الکترونیک قدرت

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. انتخاب سوییچ مناسب بر اساس ولتاژ، جریان و فرکانس کاری باید انجام شود در غیر این صورت تلفات بالای سوئیچ موجب کاهش راندمان سیستم میشود.

سیر تکامل سوئیچ های قدرت

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 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.

IGBT وارد میشود !!!

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 نسبتا بزرگی دارد که باعث میشود سرعت کاری IGBT کمتر از ماسفت شود.

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.

در مدل های جدید IGBT مخصوصا در جریان های کمتر از 40 آمپر، دنباله جریان بسیار کوچک تر شده و امکان استفاده از IGBT را حتی تا فرکانس های حدود 70 کیلوهرتز نیز میسر ساخته است. اگر IGBT ها در مبدل های رزونانسی مانند LLC که دارای کلیدزنی نرم هستند به کار برده شوند میتوانند تا فرکانس بیش از 100 کیلو هرتز نیز کار کنند.

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. همین موضوع سبب میشود IGBT بر اساس حامل های اقلیت کار کند اما ماسفت بر اساس حامل های اکثریت.

IGBT ها را معمولا در کاربردهایی به کار میبرند که ولتاژ بیش از 800 ولت در دوسر سوییچ قرار میگیرد اما ماسفت ها بهترین انتخاب برای ولتاژ های کمتر از ۲۵۰ ولت هستند.

بین ولتاژ ۲۵۰ ولت تا 800 ولت با توجه به سرعت کلیدزنی، شرایط کاری مدار، هزینه، سایز و ملاحضات حرارتی میتوان سوییچ را هم IGBT و هم MOSFET انتخاب کرد.

IGBT در شرایط زیر حتما به کار میرود

• دیوتی سایکل های کمتر ۵۰ درصد
• فرکانس کلیدزنی کمتر از ۲۰ کیلوهرتز
• ولتاژ کاری بالاتر از 800 ولت
• دمای قطعه بالاتر از 90 درجه سانتی گراد
• توان های بالاتر از 5 کیلو وات

کاربرد های مرسوم IGBT ها

• کنترل دور 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

MOSFET در شرایط زیر حتما به کار میرود

• فرکانس کلیدزنی بالای ۲۰۰ کیلوهرتز
• تغییرات گسترده بار و ورودی
• دیوتی سایکل های بزرگ تر 60 درصد
• ولتاژ های کمتر از ۲۵۰ ولت
• توان های کمتر از ۵۰۰ وات

کاربرد های مرسوم MOSFET ها

• منابع تغذیه سوییچینگ، کلیدزنی سخت با فرکانس بیش از ۲۰۰ کیلوهرتز
• منابع تغذیه سوییچینگ با کلیدزنی ZVS با توان زیر ۱۰۰۰ وات
• شارژ باتری

نتیجه گیری

اگر ولتاژ سوئیچ مورد نظر شما کمتر از 250 ولت است، صرفه نظر از مقدار جریان، ماسفت بهترین گزینه هم از نظر تلفات و هم از نظر قیمت است. اگر جریان شما بسیار زیاد است و مثلا حدود 100 آمپر است، نگران نباشید، به راحتی چند ماسفت را با هم موازی کنید.

اگر ولتاژ سوئیچ مورد نظر شما بیش از 800 یا در بعضی مواقع بزرگتر از 600 ولت است و جریانی بیشتر از 5 آمپر دارد، قطعا IGBT بهترین گزینه برای شما خواهد بود. زیرا ماسفت با این مشخصات یا پیدا نمیشود یا بسیار گران است.

در بین ولتاژ 250 ولت تا 600 ولت با توجه به فرکانس کلیدزنی، سوییچ مناسب انتخاب میشود، اگر فرکانس بالای 70 کیلو هرتز است ماسفت مناسب است و اگر فرکانس کمتر از 20 کیلوهرتز است قطعا IGBT تلفات کمتری را خواهد داشت.