IGBT, MOSFET และทรานซิสเตอร์: สถานการณ์การใช้งานและความแตกต่าง

อุปกรณ์บางชนิดใช้ส่วนประกอบที่มีเสียงที่น่าประทับใจมากIGBT (ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน) พบได้ทั่วไปในรถไฟความเร็วสูงและยานพาหนะไฟฟ้า ไปจนถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก เช่น เครื่องปรับอากาศและเตาแม่เหล็กไฟฟ้า คุณอาจสงสัยว่า IGBT คืออะไร มีวัตถุประสงค์อะไร และแตกต่างจาก MOSFET อย่างไร เพื่อทำความเข้าใจคำถามเหล่านี้ เรามาเริ่มต้นด้วยสวิตช์ทั่วไปกันก่อน

ในแผนภาพด้านล่าง สวิตช์เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟทางด้านซ้ายและโหลดทางด้านขวา เมื่อสวิตช์ถูกสลับอย่างต่อเนื่อง รูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าบนโหลดจะเป็นคลื่น PWM (การปรับความกว้างพัลส์) วงจรนี้ดูเรียบง่ายแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง อาจกล่าวได้ว่าแผงวงจรส่วนใหญ่มีวงจรประเภทนี้

ตัวอย่างเช่น ในยานยนต์ไฟฟ้า โมเดลภายในนั้นโดยพื้นฐานแล้วคือแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่อกับมอเตอร์ แน่นอนว่าต้องมีตัวควบคุมมอเตอร์ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า ESC (ตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์) อยู่ระหว่างนั้น ส่วนประกอบหลักของ ESC นี้คือสวิตช์ซึ่งสร้างคลื่น PWM ผ่านการสลับความเร็วสูง หากคุณขับรถเร็วขึ้น สวิตช์จะปิดนานขึ้น และหากคุณขับรถช้าลง สวิตช์จะปิดเป็นเวลาสั้นลง ในทำนองเดียวกัน ในเครื่องปรับอากาศ อินเวอร์เตอร์ที่มักโฆษณานั้นทำงานบนหลักการแปลงไฟ AC 220V เป็น DC ผ่านการแก้ไขและการกรอง จากนั้นจึงใช้ตัวควบคุมสวิตช์ PWM เพื่อปรับความเร็วของคอมเพรสเซอร์ จึงควบคุมประสิทธิภาพการทำความเย็นได้ แม้แต่ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) สวิตช์แบบสวิตช์ต่อเนื่องดังกล่าวก็ยังใช้เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าขาออก การทำความเข้าใจหลักการของวงจรสวิตช์จะทำให้การเรียนรู้เกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด อินเวอร์เตอร์ และไดรฟ์มอเตอร์ง่ายขึ้นมาก

ข้อจำกัดของ MOSFET

ในความเป็นจริง เราต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อควบคุมสวิตช์นี้ ดังนั้นเราจึงใช้ MOSFET เพื่อแทนที่ ตามที่ได้กล่าวไว้ในบทความเกี่ยวกับมอเตอร์ไร้แปรงถ่านก่อนหน้านี้ MOSFET ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการสลับ เมื่อคุณใช้แรงดันไฟฟ้าสูงกับเกต MOSFET ระหว่างเดรน (D) และซอร์ส (S) จะทำงานเหมือนสวิตช์ปิด เมื่อแรงดันไฟฟ้าต่ำถูกนำไปใช้กับเกต MOSFET จะทำงานเหมือนสวิตช์เปิด โดยปกติแล้ว MOSFET จะเพียงพอสำหรับสถานการณ์การสลับทั่วไป อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี MOSFET ไม่สามารถทำงานเป็นสวิตช์ได้

หากคุณจำสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ IGBT ที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ได้ เช่น รถไฟความเร็วสูง ยานยนต์ไฟฟ้า และเตาเหนี่ยวนำ สถานการณ์เหล่านี้จะมีลักษณะร่วมกันอย่างหนึ่ง: ไฟฟ้าแรงสูงปัญหาอยู่ตรงนี้ ปัญหาใหญ่ที่สุดของ MOSFET ก็คือ ไม่สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าสูงได้โดยทั่วไป MOSFET สามารถทนแรงดันไฟฟ้าสูงสุดได้ประมาณ 400V ดังนั้น ในสถานการณ์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น รถไฟความเร็วสูง ยานยนต์ไฟฟ้า และเตาแม่เหล็กไฟฟ้า การใช้ MOSFET จึงไม่เหมาะสม เนื่องจากอาจไหม้ได้ง่าย ดังนั้น ส่วนประกอบใดบ้างที่สามารถทนแรงดันไฟฟ้าสูงได้ คำตอบคือ ทรานซิสเตอร์สองขั้วทางแยก (BJT)BJT สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าคอลเลกเตอร์-อิมิตเตอร์ (CE) สูงมากได้สูงถึงหลายพันโวลต์ แล้วเราสามารถใช้ BJT ในยานยนต์ไฟฟ้าได้หรือไม่ คำตอบคือ ไม่.

ข้อเสียของ BJT

แม้ว่า BJT จะทนแรงดันไฟฟ้าสูงได้ แต่ยานยนต์ไฟฟ้าต้องการกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่ากระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จะไหลผ่านสวิตช์ หากเราเปลี่ยนสวิตช์เป็น BJT กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จะไหลระหว่างคอลเลกเตอร์ (C) และตัวปล่อย (E) เราทราบว่ากระแสไฟฟ้าระหว่างคอลเลกเตอร์และตัวปล่อยใน BJT เท่ากับ β (ค่าขยายกระแส) คูณด้วยกระแสไฟฟ้าฐาน-ตัวปล่อย (BE) โดยทั่วไป β จะอยู่ที่ประมาณ 100 ดังนั้น หากเราต้องการให้กระแสไฟฟ้า 100A ไหลระหว่างคอลเลกเตอร์และตัวปล่อย เราจะต้องจัดหา 1A กระแสไปยังตัวปล่อยฐาน ปัญหาคือ เราจะสร้างกระแสฐานขนาดใหญ่ได้อย่างไร

เราสามารถเชื่อมต่อพิน I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์กับฐานของทรานซิสเตอร์โดยตรงได้หรือไม่ ไม่นะ มันจะใช้ไม่ได้ พิน I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่สามารถจ่ายกระแสได้มากขนาดนั้น โดยทั่วไป พิน I/O สามารถจ่ายกระแสได้เพียงประมาณ 20mA แม้จะมีค่าขยาย 100 ก็ตาม กระแสไฟระหว่างคอลเลกเตอร์และตัวปล่อยจะจ่ายได้เพียง 2A เท่านั้น ซึ่งห่างไกลจากค่าที่ต้องการ 100A

คุณอาจคิดว่าถ้า BJT ตัวหนึ่งไม่เพียงพอ เราสามารถเพิ่ม MOSFET ตัวอื่นไว้ข้างหน้าได้หรือไม่ เนื่องจาก MOSFET ถูกควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้า จึงอาจใช้งานได้ เมื่อพิน I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์มีค่าต่ำ MOSFET จะปิด และกระแสไฟฟ้าที่มากกว่า 1A จะไหลผ่านตัวปล่อยเบสของ BJT ทำให้ BJT เปิดขึ้นและปล่อยให้กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ไหลระหว่างคอลเลกเตอร์และตัวปล่อย เมื่อพิน I/O มีค่าสูง MOSFET จะเปิดขึ้น และแรงดันไฟฟ้าฐานของ BJT จะกลายเป็นศูนย์ ทำให้ BJT ปิด สำหรับวงจรประเภทนี้ ตราบใดที่เราส่งสัญญาณ PWM ไปที่เกตของ MOSFET BJT ก็จะสลับอย่างต่อเนื่อง

สรุป

BJT สลับช้าเนื่องจากเอฟเฟกต์การเก็บประจุไฟฟ้าแบบกลุ่มน้อย และมีเวลาในการฟื้นตัวช้าหลังจากผ่านจุดอิ่มตัว ในทางกลับกัน MOSFET ซึ่งอาศัยการนำไฟฟ้า มีลักษณะการปิดเครื่องที่รวดเร็วมาก ในทางทฤษฎี MOSFET สามารถจัดการกับความถี่การสลับที่สูงมากได้โดยใช้วงจรขับเคลื่อนที่เหมาะสม ในทำนองเดียวกัน ไดโอดซิลิกอนทั่วไปมีเวลาฟื้นตัวย้อนกลับที่ช้าเนื่องจากทั้งอิเล็กตรอนและโฮลมีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ไดโอดชอตกีซึ่งเกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนในการนำไฟฟ้าเท่านั้น มีเวลาฟื้นตัวกลับเร็วมาก บางครั้ง ไดโอดชอตต์กี้จะถูกวางขนานกับฐานและตัวเก็บประจุของ BJT เพื่อจำกัดความลึกของความอิ่มตัวและลดเวลาการสลับลงอย่างมาก นี่คือสาเหตุที่ "S" ในวงจรลอจิก 74LS (Low Power Schottky) ย่อมาจากไดโอดชอตต์กี้