IGBT, MOSFET, at Transistor: Mga Sitwasyon at Pagkakaiba ng Application

Gumagamit ang ilang device ng component na napakaganda ng tunog—IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Mula sa mga high-speed na tren at de-kuryenteng sasakyan hanggang sa maliliit na appliances tulad ng mga air conditioner at induction cooker, ito ay karaniwang matatagpuan sa lahat ng dako. Maaaring nagtataka ka, ano nga ba ang IGBT, ano ang layunin nito, at paano ito naiiba sa mga MOSFET? Upang maunawaan ang mga tanong na ito, magsimula tayo sa isang karaniwang switch.

Sa diagram sa ibaba, ang switch ay nakakonekta sa isang power source sa kaliwa at isang load sa kanan. Kapag ang switch ay patuloy na naka-toggle, ang boltahe waveform sa load ay isang PWM (Pulse Width Modulation) wave. Ang circuit ay mukhang simple ngunit napakahalaga. Maaari mong sabihin na ang karamihan sa mga circuit board ay naglalaman ng isang bersyon ng circuit na ito.

Halimbawa, sa mga de-koryenteng sasakyan, ang panloob na modelo ay mahalagang baterya na konektado sa isang motor. Siyempre, kailangan ng motor controller, na kilala rin bilang ESC (Electronic Speed ​​Controller), sa pagitan. Ang pangunahing bahagi ng ESC na ito ay talagang isang switch, na bumubuo ng PWM wave sa pamamagitan ng high-speed switching. Kung nagmamaneho ka ng mas mabilis, mananatiling sarado ang switch nang mas matagal, at kung mas mabagal ang pagmamaneho mo, mananatiling sarado ang switch para sa mas maikling panahon. Katulad nito, sa mga air conditioner, ang inverter na madalas na ina-advertise ay gumagana sa prinsipyo ng pag-convert ng 220V AC sa DC sa pamamagitan ng pagwawasto at pag-filter, at pagkatapos ay gumagamit ng PWM switch controller upang ayusin ang bilis ng compressor, kaya kinokontrol ang pagganap ng paglamig. Kahit na sa switch-mode power supply (SMPS), tulad ng patuloy na switching switch ay ginagamit upang ayusin ang output boltahe. Ang pag-unawa sa mga prinsipyo ng pagpapalit ng mga circuit ay magiging mas madaling matutunan ang tungkol sa switch-mode power supply, inverters, at motor drive.

Mga limitasyon ng MOSFET

Sa totoo lang, kailangan namin ng microcontroller para makontrol ang switch na ito, kaya gagamit kami ng MOSFET para palitan ito. Tulad ng tinalakay sa nakaraang artikulo ng motor na walang brush, ang mga MOSFET ay malawakang ginagamit para sa paglipat. Kapag naglapat ka ng mataas na boltahe sa gate, ang MOSFET sa pagitan ng drain (D) at source (S) ay kumikilos na parang saradong switch. Kapag ang isang mababang boltahe ay inilapat sa gate, ang MOSFET ay kumikilos tulad ng isang bukas na switch. Karaniwan, ang mga MOSFET ay sapat para sa mga karaniwang sitwasyon ng paglipat. Gayunpaman, sa ilang mga kaso, ang isang MOSFET ay hindi maaaring gumana bilang switch.

Kung maaalala mo ang mga senaryo na kinasasangkutan ng mga IGBT na nabanggit kanina—mga high-speed na tren, mga de-kuryenteng sasakyan, at mga induction cooker—nagbabahagi sila ng isang karaniwang tampok: mataas na boltahe. Dito nakasalalay ang problema. Ang pinakamalaking isyu sa mga MOSFET ay ang mga ito hindi makayanan ang mataas na boltahe. Karaniwan, ang isang MOSFET ay maaari lamang magparaya sa isang maximum na boltahe na humigit-kumulang 400V. Samakatuwid, sa mga sitwasyong may mataas na boltahe, tulad ng mga high-speed na tren, mga de-kuryenteng sasakyan, at mga induction cooker, ang paggamit ng MOSFET ay hindi angkop, dahil madali itong masunog. Kaya, anong mga bahagi ang makatiis sa mataas na boltahe? Ang sagot ay bipolar junction transistors (BJTs). Kakayanin ng mga BJT ang napakataas na boltahe ng collector-emitter (CE), hanggang ilang libong volts. Kaya, maaari ba nating gamitin ang mga BJT sa mga de-kuryenteng sasakyan? Ang sagot ay hindi.

Mga disadvantages ng BJTs

Bagama't kayang tiisin ng mga BJT ang mataas na boltahe, ang mga de-kuryenteng sasakyan ay nangangailangan ng malalaking alon. Nangangahulugan ito na ang isang malaking agos ay dadaloy sa switch. Kung papalitan natin ang switch ng isang BJT, isang malaking kasalukuyang dadaloy sa pagitan ng kolektor (C) at emitter (E). Alam namin na ang kasalukuyang sa pagitan ng kolektor at emitter sa isang BJT ay katumbas ng β (kasalukuyang pakinabang) na beses ang base-emitter (BE) kasalukuyang. Sa pangkalahatan, ang β ay nasa paligid ng 100. Kaya, kung gusto nating 100A ng kasalukuyang dumaloy sa pagitan ng kolektor at emitter, kakailanganin nating magbigay ng isang 1A kasalukuyang sa base-emitter. Ngayon ang problema ay, paano tayo bubuo ng napakalaking baseng kasalukuyang?

Maaari ba nating direktang ikonekta ang I/O pin ng microcontroller sa base ng transistor? Hindi, hindi ito gagana. Ang I/O pin ng microcontroller ay hindi makapag-output ng ganoon karaming kasalukuyang; sa pangkalahatan, ang I/O pin ay maaari lamang magbigay sa paligid ng 20mA. Kahit na may pakinabang na 100, magbibigay lamang ito ng 2A ng kasalukuyang sa pagitan ng kolektor at emitter, na malayo sa kinakailangang 100A.

Maaari mong isipin, kung ang isang BJT ay hindi sapat, maaari ba tayong magdagdag ng isa pang MOSFET sa harap nito? Dahil ang mga MOSFET ay kontrolado ng boltahe, maaaring gumana ito. Kapag ang I/O pin ng microcontroller ay mababa, ang MOSFET ay i-off, at ang isang kasalukuyang mas malaki kaysa sa 1A ay dumadaloy sa base-emitter ng BJT, na i-on ang BJT at pinapayagan ang isang malaking kasalukuyang dumaloy sa pagitan ng kolektor at emitter. Kapag mataas ang I/O pin, bubukas ang MOSFET, at nagiging zero ang base voltage ng BJT, na pinapatay ang BJT. Para sa ganitong uri ng circuit, hangga't naglalagay tayo ng PWM signal sa gate ng MOSFET, ang BJT ay patuloy na lilipat.

Buod

Ang mga BJT ay mabagal na lumipat dahil sa minority carrier storage effect, at mayroon silang mabagal na oras ng pagbawi pagkatapos ng malalim na saturation. Sa kabilang banda, ang mga MOSFET, na umaasa sa charge conduction, ay may napakabilis na turn-off na katangian. Sa teorya, na may wastong circuitry sa pagmamaneho, kayang hawakan ng mga MOSFET ang napakataas na switching frequency. Katulad nito, ang mga regular na silicon diode ay may mabagal na reverse recovery na mga oras dahil sa parehong mga electron at butas na nakikilahok sa pagpapadaloy. gayunpaman, Schottky diodes, na nagsasangkot lamang ng mga electron sa pagpapadaloy, ay may napakabilis na reverse recovery times. Minsan, ang isang Schottky diode ay inilalagay na kahanay sa base at kolektor ng BJT upang limitahan ang lalim ng saturation at makabuluhang paikliin ang oras ng paglipat. Ito ang dahilan kung bakit ang "S" sa 74LS (Low Power Schottky) logic circuits ay kumakatawan sa Schottky diodes.