Nederlands
Menu

IGBT versus vermogens-MOSFET: keuzecriteria vergeleken

Beide zijn spanningsgestuurde vermogensschakelaars met een geïsoleerde gate, maar de stroom loopt op een andere manier. Een vermogens-MOSFET geleidt met één type ladingdrager en gedraagt zich als een weerstand, waardoor hij snel en efficiënt is bij lage tot gemiddelde spanningen. Een IGBT voegt een bipolaire uitgangstrap toe die het device met ladingdragers overstroomt, waardoor de geleidingsverliezen bij hoge spanning en stroom laag zijn, maar het uitschakelen langzamer gaat. Als vuistregel: MOSFET tot enkele honderden volt en bij hoge frequenties, IGBT bij hoge spanning en groot vermogen.

KenmerkVermogens-MOSFETIGBT
StructuurUnipolair. Alleen meerderheidsladingdragers, gestuurd met een MOS-gateEen MOS-gate stuurt een bipolaire uitgangstrap aan. Zowel elektronen als gaten zijn betrokken
Typisch spanningsbereikEnkele volt tot ongeveer 900 V (silicium). SiC-MOSFET's tot enkele kVOngeveer 600 V tot enkele kV
Verliezen in de aan-toestandResistief (RDS(on)). Nemen sterk toe bij hogere spanningsklasseVrijwel constante verzadigingsspanning (ongeveer 1,5 tot 3 V). Lage verliezen bij hoge spanning en grote stroom
SchakelsnelheidSnel. Enkele tientallen tot honderden kHz, en hogerLangzamer. Meestal tot enkele tientallen kHz
Staartstroom bij uitschakelenGeenAanwezig. De stroom blijft nog even doorlopen door opgeslagen minderheidsladingdragers
BodydiodeIngebouwdNiet aanwezig. Er wordt een aparte antiparallelle diode in het package toegevoegd
ParallelschakelenEenvoudig. De aan-weerstand neemt toe met de temperatuur, waardoor de stroom zich verdeeltMogelijk, maar vraagt meer zorg
Gate-aansturingSpanningsgestuurd. Bij elke schakeling moet gatelading worden geleverdSpanningsgestuurd. Meestal ongeveer 15 V
Belangrijkste toepassingenSchakelende voedingen, DC-DC-omzetters, laders, motoraandrijvingen met lage spanningOmvormers van elektrische auto's (silicium-IGBT's), industriële motoraandrijvingen, spoorwegen, lassen, apparatuur voor het elektriciteitsnet

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Vermogens-MOSFET
Wanneer de schakelfrequentie hoog is en de spanning niet erg hoog. Voedingen, omzetters, motoraandrijvingen op batterijen.
IGBT
Wanneer spanning en stroom groot zijn en de frequentie gemiddeld is. Tractie-omvormers, industriële aandrijvingen, zware machines.
Trend
SiC-MOSFET's dringen een deel van het IGBT-gebied binnen, omdat ze hoge spanning, snel schakelen en lage verliezen combineren.

Veelgestelde vragen

Wanneer is een IGBT geschikter dan een MOSFET?

Bij hoge spanning en grote stroom (ruwweg 600 V en hoger) met een gemiddelde schakelfrequentie. De spanning in geleidende toestand van een IGBT is laag en vrijwel constant, waardoor de verliezen laag zijn.

Waarom schakelt een IGBT langzaam uit?

Ook nadat de gate is uitgeschakeld, blijft de stroom nog even lopen door opgeslagen minderheidsladingdragers. Deze staartstroom beperkt de schakelfrequentie.

Heeft een IGBT een bodydiode?

Nee. Voor stroom in tegenovergestelde richting wordt een aparte antiparallelle diode aan het package toegevoegd.

Vervangen SiC-MOSFET's IGBT's?

Gedeeltelijk. SiC-MOSFET's combineren hoge spanning, snel schakelen en lage verliezen en dringen daarom een deel van het IGBT-gebied binnen, zoals omvormers van elektrische auto's.

Test uw begrip

Welke uitspraak over de IGBT is juist?

  1. AEen component met twee aansluitingen en slechts twee pn-juncties
  2. BEen component die met een MOS-gate wordt aangestuurd en door geleidbaarheidsmodulatie via bipolaire werking een lage aan-spanning krijgt
  3. CEen thyristor die door belichting geleidend wordt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Een component die met een MOS-gate wordt aangestuurd en door geleidbaarheidsmodulatie via bipolaire werking een lage aan-spanning krijgt

Een IGBT is een component die de ingang van een MOSFET combineert met de uitgang van een bipolaire transistor, met een extra p+-laag aan de drainzijde. Hij wordt met spanning aangestuurd, zodat de aandrijfschakeling eenvoudig is, en in de aan-toestand verlagen de vanuit de p+-laag geïnjecteerde gaten de weerstand van de driftlaag sterk (geleidbaarheidsmodulatie), waardoor de aan-spanning ook bij hoge doorslagspanningen van 600 V tot 6,5 kV laag kan zijn. Hij is de hoofdcomponent in EV’s, spoorwegen en industriële omvormers, maar is vanwege de staartstroom minder geschikt voor hoge frequenties.

Welke uitspraak over het gebruikelijke onderscheid in toepassing tussen silicium-MOSFET’s en IGBT’s is juist?

  1. AMOSFET’s zijn geschikt voor relatief lage spanningen en snel schakelen, IGBT’s voor hoge spanningen van enkele honderden volt of meer en grote stromen
  2. BIGBT’s zijn geschikt voor lage spanning en kleine stroom, MOSFET’s voor hoge spanning en grote stroom
  3. CBeide zijn voor dezelfde toepassingen te gebruiken en voor niets anders
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. MOSFET’s zijn geschikt voor relatief lage spanningen en snel schakelen, IGBT’s voor hoge spanningen van enkele honderden volt of meer en grote stromen

Silicium-MOSFET’s werken uitsluitend met meerderheidsladingdragers en zijn daarom snel, maar bij hoge doorslagspanning neemt de aan-weerstand sterk toe, zodat ze ruwweg bij enkele honderden volt of minder worden gebruikt, vooral in voedingen met lage spanning. IGBT’s kunnen dankzij geleidbaarheidsmodulatie ook bij hoge doorslagspanning een lage aan-spanning behouden en zijn geschikt voor toepassingen met grote stroom van 600 V of meer (EV’s, industriële omvormers, spoorwegen), maar zijn door de staartstroom wat trager. Tegenwoordig vervangen SiC-MOSFET’s beide in het gebied van middelhoge tot hoge doorslagspanning.

Hoe heet het verschijnsel waarbij bij het uitschakelen van een IGBT de stroom door opgeslagen minderheidsladingdragers niet direct 0 wordt maar nog een staart houdt?

  1. AInschakelstroom
  2. BStaartstroom (tail current)
  3. CDonkerstroom
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Staartstroom (tail current)

Een IGBT injecteert in de aan-toestand minderheidsladingdragers (gaten) in de driftlaag om de weerstand te verlagen, zodat bij het uitschakelen de stroom blijft vloeien totdat deze door recombinatie of afvoer zijn verdwenen. Dit is de staartstroom; omdat ze vloeit terwijl de spanning al is gestegen, is ze een belangrijke oorzaak van uitschakelverlies en beperkt ze de schakelfrequentie van IGBT’s tot enkele tientallen kHz of minder. Ze wordt korter gemaakt met levensduurregeling en een field-stopstructuur. Een MOSFET heeft ze niet.

  1. Welke uitspraak over het verschil in sturing tussen een bipolaire transistor en een MOSFET is juist?
  2. Welke uitleg over de temperatuurafhankelijkheid van de aan-weerstand is juist als reden dat het gemakkelijk is meerdere vermogens-MOSFET's parallel te schakelen?
  3. Wat is de belangrijkste reden dat bij het aansturen van SiC-MOSFET’s en IGBT’s in de uit-toestand soms een negatieve spanning (bijvoorbeeld −3 tot −5 V) op de gate wordt gezet?

Oefenvragen over Vermogenshalfgeleiders

Belangrijke termen uitgelegd

IGBT
Insulated-gate bipolaire transistor. Wordt aangestuurd via een MOS-gate en bereikt dankzij geleidingsmodulatie een lage aan-spanning, ook bij hoge doorslagspanning.
Vermogens-MOSFET (power MOSFET)
MOSFET die grote stromen en spanningen aankan. Schakelt snel en wordt veel gebruikt in onder meer voedingsschakelingen.
Superjunction-MOSFET
Vermogens-MOSFET waarvan de driftlaag afwisselend uit p-type en n-type kolommen bestaat. Doordat de concentratie van de driftlaag bij gelijkblijvende doorslagspanning kan worden verhoogd, wordt een lagere aan-weerstand bereikt dan de theoretische limiet van silicium.
Gatedriver
Schakeling die het signaal van de besturing ontvangt en de gate van een vermogenscomponent met een geschikte spanning en voldoende stroom aanstuurt. Veel exemplaren hebben ook isolatie en niveauconversie om schakelaars aan de hoogspanningszijde aan te sturen.

Verwante vergelijkingen