MOSFET vs. IGBT

En el mundo de Power Electronics, elegir el dispositivo semiconductor correcto es muy importante para mejorar el rendimiento, la eficiencia y la confiabilidad de los sistemas electrónicos.Dos opciones populares son los transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT) y los transistores de efecto de campo-óxido-óxido-óxido-semiconductor de silicio (SIC MOSFET).Cada uno de estos dispositivos tiene características y beneficios únicos, lo que los hace adecuados para diferentes usos.Este artículo explicará las principales diferencias entre Si IGBTS y MOSFETS SIC, discutiendo sus características, pros, contras y cómo afectan la tecnología de los inversores, especialmente en los sistemas de accionamiento de motor.Al comprender estas diferencias, los ingenieros y diseñadores pueden tomar mejores decisiones para mejorar sus proyectos de electrónica de energía.

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Figura 1: MOSFET vs. IGBT

Comprensión de los Si Igbts y Sic Mosfets

Sic mosfets

Los transistores de efectos de campo-óxido de metal-óxido-óxido de silicio (MOSFETS SIC) funcionan controlando el voltaje aplicado a su terminal de compuerta.Uno de los principales beneficios de SIC MOSFET es su fuerte resistencia al fugitivo térmico, una condición en la que un aumento de la temperatura conduce a mayores aumentos de temperatura, lo que puede causar falla del dispositivo.Esta resistencia se debe en gran medida a la mejor conductividad del calor del carburo de silicio (SIC) en comparación con el silicio regular.La alta conductividad de calor de SIC garantiza una disipación de calor efectiva a nivel de dispositivo, manteniendo temperaturas de funcionamiento estables incluso en condiciones de alta potencia.

Esta capacidad para manejar el calor es muy importante en entornos con altas temperaturas, como las que se encuentran en los automóviles y los entornos industriales.En estas situaciones, la fiabilidad y la eficiencia de las piezas electrónicas son muy importantes, y los MOSFET de SIC proporcionan una solución fuerte.Su capacidad para mantener el rendimiento y evitar el sobrecalentamiento en condiciones difíciles los hace muy deseables para la electrónica de energía, donde la gestión del calor es una gran preocupación.

Si igbts

Los transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT) son dispositivos semiconductores controlados por la corriente, que funcionan aplicando una corriente al terminal de la puerta.Estos transistores se usan comúnmente en aplicaciones que convierten la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), especialmente en unidades de motor.La atracción de los IGBT es su capacidad para manejar las altas corrientes de manera efectiva.También ofrecen velocidades de conmutación rápidas, lo cual es muy importante para las aplicaciones que necesitan un control de potencia rápido y preciso.

Con respecto a las características eléctricas, los SI IGBT tienen una calificación de alto voltaje, lo que les permite funcionar de manera segura en condiciones de alto voltaje.También tienen una caída de bajo voltaje en el dispositivo cuando se realizan corriente, lo que conduce a pérdidas de potencia más bajas y una mejor eficiencia.Además, las IGBT de SI tienen bajas pérdidas de conductancia, lo que significa que usan menos potencia cuando el transistor está en estado 'en', mejorando el rendimiento general del sistema.

Estas cualidades hacen que los SI IGBT sean especialmente adecuados para aplicaciones de accionamiento de motor de alta potencia, como las de los sistemas de fabricación.Su fuerte rendimiento en estos entornos difíciles se debe a su capacidad para cambiar grandes corrientes y voltajes de manera efectiva, lo que los convierte en una opción asequible y confiable para controlar motores de alta potencia.

Inversores y su impacto en los sistemas de accionamiento de motor

Figura 2: inversores y su impacto en los sistemas de accionamiento de motor

En las aplicaciones de accionamiento de motor, los inversores juegan un papel importante en el cambio de corriente continua (CC) de los sistemas de batería a la corriente alterna (CA), que los motores eléctricos deben funcionar.Este cambio es muy necesario para los vehículos eléctricos, donde los paquetes de baterías grandes dan la energía de CC necesaria.Los inversores manejan muchas partes importantes del rendimiento del motor, incluida la velocidad, el par, la energía y la eficiencia.También ayudan con el frenado regenerativo, que es una característica que captura la energía durante el frenado y la envía nuevamente a la batería, lo que hace que todo el sistema sea más eficiente en la energía.

El tipo de inversor utilizado afecta enormemente qué tan bien funciona el sistema de accionamiento del motor.Históricamente, se han utilizado ampliamente dos tipos de inversores: transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT) y transistores de efecto de campo-óxido de metal-óxido-semiconductor de silicio (SIC MOSFET).

Los IGBT han sido la opción estándar porque son confiables y los procesos de fabricación para ellos están bien establecidos.Sin embargo, los MOSFET de SIC se están volviendo más populares porque funcionan mejor.Los MOSFET SIC tienen pérdidas de conmutación más bajas, una mejor conductividad del calor y pueden funcionar a frecuencias y temperaturas más altas en comparación con los IGBT.Estas ventajas conducen a una mejor eficiencia, menos necesidad de enfriamiento y la capacidad de diseñar sistemas de accionamiento de motor más pequeños y livianos.

Al principio, el alto costo de SIC MOSFET limitó su uso a aplicaciones especiales o de alta gama.Sin embargo, las mejoras en la tecnología de fabricación y la producción en masa han reducido en gran medida el costo de los dispositivos SIC, lo que las convierte en una opción práctica y atractiva para una gama más amplia de aplicaciones de accionamiento de motor.Esta reducción de costos, junto con sus beneficios de rendimiento, ha llevado a un mayor uso de MOSFET de SIC en diversas industrias, incluidos los sectores automotrices, de automatización industrial y de energía renovable.

Ventajas y desventajas de SI IGBTS y SIC MOSFETS

SI IGBTS (transistores bipolares de puerta aislados de silicio)

Los transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT) se usan ampliamente en aplicaciones de alta potencia debido a sus fuertes rasgos de rendimiento.Aquí hay una mirada detallada de sus ventajas y desventajas:

• Ventajas de Si Igbts

Maneja bien las grandes corrientes: Los IGBT son muy buenos para administrar grandes corrientes de manera eficiente.Esto los convierte en una buena opción para aplicaciones que necesitan manejar grandes cargas de energía, como maquinaria industrial y vehículos eléctricos.

Velocidad de conmutación rápida: Los IGBT de SI pueden encenderse y desactivar rápidamente, lo que mejora su rendimiento en los sistemas que necesitan cambios rápidos en el flujo de corriente.Esta capacidad de cambio rápido es útil para aplicaciones que requieren cambios rápidos, lo que lleva a una mejor capacidad de respuesta y rendimiento.

Bajo costo: El proceso de producción para SI IGBTS es maduro y bien establecido, lo que resulta en menores costos de producción.Esta ventaja de costos hace que los SI IGBTS sean una opción económica para muchas aplicaciones de alta potencia, manteniendo bajos los gastos generales del sistema.

Puede manejar altos voltajes: Los IGBT pueden soportar altos voltajes, haciéndolos adecuados para aplicaciones que funcionan a niveles de alto voltaje.Esta capacidad es particularmente útil en los sistemas de transmisión y distribución de potencia donde se necesita una resistencia de alto voltaje.

Baja pérdida de energía: Los IGBT tienen pérdidas mínimas de caída de voltaje y conductancia al realizar corriente.Esta eficiencia se traduce en una pérdida de energía reducida y un mejor rendimiento general del sistema, lo cual es bueno para mantener una alta eficiencia en aplicaciones sensibles a la potencia.

• Desventajas de SI IGBTS

Propenso al sobrecalentamiento: En aplicaciones de alta potencia, como las de vehículos eléctricos o sistemas industriales, los IGBT pueden sobrecalentarse.Este sobrecalentamiento puede provocar fugas térmicas, una condición en la que la temperatura creciente provoca aumentos de temperatura adicionales, lo que puede conducir a la falla del dispositivo.Este riesgo de problemas térmicos plantea una preocupación de confiabilidad en situaciones de alta potencia.

Tiempos de apagado más lentos: En comparación con algunos dispositivos de semiconductores más nuevos, los IGBT de SI tardan más en apagarse.Este apagado más lento puede limitar su efectividad en aplicaciones que necesitan un cambio muy rápido, como inversores de alta frecuencia o sistemas avanzados de control de motores.El tiempo de apagado más lento puede conducir a mayores pérdidas de conmutación y una eficiencia general reducida en tales aplicaciones.

MOSFETS SIC (Silicon Carbide Metal-óxido-semiconductor Transistores de efecto de campo)

En aplicaciones de accionamiento motor, la elección entre transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT) y los transistores de efecto de campo-óxido-óxido-óxido-semiconductor de silicio (SIC MOSFET) afecta en gran medida el rendimiento y la eficiencia del sistema.Comprender los pros y los contras de Sic Mosfets ayuda a explicar por qué se están convirtiendo en una opción popular en muchas aplicaciones de alto rendimiento a pesar de algunos desafíos.

• Ventajas de MOSFETS SIC

Mayor eficiencia: Los MOSFET de SIC tienen pérdidas de conducción y conmutación más bajas en comparación con los IGBT de SI.Esta eficiencia mejorada reduce el consumo de energía y aumenta el rendimiento general del sistema de accionamiento del motor.Las pérdidas más bajas significan menos energía se desperdician como calor, lo que lleva a un uso de energía más efectivo.

Mejor gestión del calor: El carburo de silicio conduce el calor mejor que el silicio.Esto permite que SIC MOSFET maneje el calor de manera más efectiva, manteniendo su rendimiento y confiabilidad incluso en condiciones de alta potencia.Una mejor gestión del calor reduce la necesidad de sistemas de enfriamiento extensos, lo que hace que el diseño sea más simple y de reducción de costos.

Conmutación más rápida: Los MOSFET de SIC pueden funcionar a frecuencias de conmutación mucho más altas que las SI IGBT.La conmutación más rápida permite un control más preciso del motor y puede mejorar el rendimiento en aplicaciones que necesitan conmutación rápida.Esto es especialmente útil en unidades de vehículos eléctricos y control industrial del motor, donde la eficiencia y los tiempos de respuesta rápidos son muy importantes.

Manejo de voltaje más alto: Los MOSFET de SIC pueden administrar voltajes más altos que los SI IGBT, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alto voltaje.Esta mayor tolerancia a voltaje es útil en las interfaces de la red eléctrica y las unidades industriales de alta potencia, donde se necesita un fuerte manejo de voltaje.

Tamaño más pequeño: Debido a su mejor eficiencia y propiedades de calor, los MOSFET SIC pueden hacerse más pequeños que sus contrapartes de silicio.Esta reducción de tamaño es buena para crear sistemas más compactos y livianos, lo cual es particularmente valioso en aplicaciones como los vehículos eléctricos, donde ahorrar espacio y peso es muy importante.

• Desventajas de MOSFETS SIC

Mayor costo: Hacer sic MOSFET es más complejo y costoso que hacer Si IGBT.Este costo de producción más alto conduce a un mayor precio de compra, que puede ser una barrera, especialmente en aplicaciones sensibles a los costos.Sin embargo, a medida que mejora la fabricación y se producen mayores cantidades, estos costos están disminuyendo gradualmente.

Uso limitado del mercado: Como tecnología más nueva, los MOSFET de SIC aún no se han adoptado tan ampliamente como los SI IGBT.Este uso limitado puede dar lugar a menos componentes disponibles y menos soporte, lo que dificulta que los ingenieros encuentren piezas y obtengan ayuda técnica.Con el tiempo, a medida que la tecnología SIC se vuelve más común, se espera que disminuya esta limitación.

Necesidades de unidad compleja: Los MOSFET de SIC a menudo necesitan circuitos de accionamiento más avanzados en comparación con los IGBT de SI.La complejidad de este circuito de accionamiento puede complicar el diseño general del sistema y posiblemente aumentar los costos de desarrollo.Los ingenieros deben diseñar e implementar cuidadosamente estos circuitos para beneficiarse completamente de la tecnología SIC.

Tecnología de inversor mejorado con MOSFETS SIC

Figura 3: Comparación de la solución SI del gabinete de potencia frente a la solución SIC para los inversores de accionamiento del motor

Los mosfets de carburo de silicio (MOSFETS SIC) han mejorado mucho la tecnología de los inversores en los sistemas de accionamiento de motor, ofreciendo muchos beneficios sobre los transistores bipolares de puerta aislados de silicio (SI IGBT).SIC MOSFET puede funcionar a velocidades de conmutación mucho más altas debido a sus pérdidas de conmutación más bajas, lo que permite un control más preciso de la velocidad y el torque del motor.También manejan mejor el calor, lo que significa que eliminan el calor de manera más efectiva y reducen la necesidad de grandes sistemas de enfriamiento.Esto conduce a diseños de inversores más pequeños y livianos, que es especialmente bueno para los vehículos eléctricos.

Los MOSFET de SIC también pueden funcionar a temperaturas más altas, aumentando la confiabilidad y la vida útil de los sistemas de accionamiento de motor en condiciones difíciles.Si bien los SI IGBT aún se pueden usar en aplicaciones más baratas o donde las altas velocidades de conmutación y la gestión del calor son menos preocupantes, la eficiencia, el mejor manejo de calor y el mayor rendimiento de los MOSFET de SIC los hacen perfectas para aplicaciones de accionamiento de motor de alto rendimiento y confiables,incluyendo vehículos eléctricos y automatización industrial.

Las principales diferencias entre IGBT y MOSFETS

Parámetro	IGBT	Mosfet
Rango de voltaje	600V a 6500V (aplicaciones comunes de alto voltaje)	20V a 1000V (aplicaciones comunes de voltaje de bajo a medio)
Aplicaciones típicas	Alto voltaje, aplicaciones de alta corriente, por ejemplo, redes eléctricas, industriales motores e inversores	Aplicaciones de voltaje de bajo a medio, por ejemplo, fuentes de alimentación, audio amplificadores y controladores de motor
Caída de voltaje en el estado (VCeñudo o VDs)	Caída de voltaje más alta, típicamente de 2V a 4V	Caída de voltaje más baja, típicamente 0.1V a 1V
Velocidad de cambio	Velocidad de conmutación más lenta (más adecuada para menor frecuencia aplicaciones)	Velocidad de conmutación más rápida (más adecuada para aplicaciones de alta frecuencia)
Pérdidas de conducción	Más alto debido a la naturaleza bipolar y una mayor caída de voltaje	Más bajo debido a la naturaleza unipolar y una caída de voltaje más baja
Pérdidas de cambio	Más alto debido a la velocidad de conmutación más lenta	Más bajo debido a la velocidad de conmutación más rápida
Estabilidad térmica	Mejor rendimiento térmico a niveles de potencia más altos	Rendimiento térmico limitado en comparación con IGBTS
Control de la complejidad	Requisitos de unidad de puerta más fáciles, típicamente controlados por voltaje	Requiere circuitos de transmisión de puerta más complejos, típicamente controlado por corriente
Rugosidad	Generalmente mejor capacidad de soporte de cortocircuito	Típicamente la capacidad de soporte de cortocircuito inferior
Costo	Generalmente más alto para clasificaciones de voltaje equivalentes	Generalmente más bajo para calificaciones de voltaje equivalentes

Tipo de dispositivo

Figura 4: Tipo de dispositivo - Comparación de símbolos MOSFET e IGBT

Los IGBT (transistores bipolares de puerta aislados) son una mezcla de MOSFET (transistores de efecto de campo-óxido de metal-semiconductor) y transistores bipolares.Tienen una puerta controlada por voltaje como MOSFET, lo que facilita el cambio.También tienen una capacidad de transporte de corriente bipolar, lo que les permite manejar altos niveles de potencia.Los MOSFET, en contraste, son solo transistores controlados por voltaje.El flujo de corriente entre su fuente y los terminales de drenaje se controla mediante el voltaje aplicado a la puerta.

Calificación de voltaje

Figura 5: Voltaje de drenaje/colector vs.Actual para MOSFET e IGBT

Para la clasificación de voltaje, los IGBT son mejores para los usos de alto voltaje, que van desde cientos hasta miles de voltios.Esto los hace adecuados para aplicaciones de alta potencia como unidades de motor e inversores de energía.Los MOSFET generalmente se usan en aplicaciones de voltaje de menor a medio, que van desde decenas hasta cientos de voltios, que son comunes en los circuitos de conmutación electrónicos y los reguladores de voltaje.

Manejo actual

Figura 6: Características de VD-ID a 25 ° C y 150 ° C para MOSFET e IGBT

En términos de manejo actual, los IGBT son excelentes para aplicaciones de alta corriente debido a su capacidad de transporte de corriente bipolar.Esto los hace útiles en la configuración de alta potencia.Sin embargo, los MOSFET se usan típicamente para aplicaciones de corriente de menor a moderada, donde se necesitan alta eficiencia y conmutación rápida.

Velocidad de cambio

La velocidad de conmutación es otra gran diferencia.Los IGBT cambian más lento que MOSFET, lo cual está bien para aplicaciones donde no se necesita conmutación rápida.Por otro lado, los MOSFET están hechos para un uso de alta frecuencia, ofreciendo velocidades de conmutación más rápidas.Esto los hace adecuados para aplicaciones como fuentes de alimentación y convertidores que necesitan conmutación rápida y eficiente.

Eficiencia

La eficiencia varía entre IGBTS y MOSFET en función de los niveles de voltaje y corriente.Las IGBT tienen pérdidas de conducción más bajas a altos voltajes y corrientes, lo que las hace más eficientes en aplicaciones de alta potencia.Sin embargo, los MOSFET son más eficientes a bajos voltajes y corrientes debido a sus bajas capacidades de cambio de resistencia y rápida.

Aplicaciones

Figura 7: Estructura básica de MOSFET vs.Estructura básica de IGBT

Los usos de estos dispositivos reflejan sus fortalezas.Los IGBT se usan comúnmente en situaciones de alta potencia, como unidades de motor, inversores de energía y sistemas de calefacción de inducción debido a su capacidad para manejar un alto voltaje y corriente.Los MOSFET son mejores para aplicaciones que priorizan la conmutación rápida y la eficiencia a niveles de potencia más bajos, como los circuitos de conmutación electrónica y los reguladores de voltaje.

Requisitos de transmisión de la puerta

Por último, los requisitos de la unidad de puerta difieren entre IGBTS y MOSFET.Los IGBT necesitan un voltaje positivo en la puerta en relación con el emisor para encender y apagar reduciendo el voltaje de la puerta.Sin embargo, los MOSFET necesitan un voltaje positivo en la puerta en relación con la fuente para encender y apagar tanto, lo que hace que su puerta sea más simple y más sencilla.

Conclusión

Tanto los SI IGBT como SIC MOSFET tienen fortalezas únicas que se adaptan a diferentes aplicaciones de alta potencia.Los IGBT son excelentes para manejar grandes corrientes y altos voltajes y son más baratos de producir, lo que los hace confiables para usos tradicionales como motores industriales y redes eléctricas.Sin embargo, pueden sobrecalentar y cambiar más lento, lo que puede ser un problema en entornos de alta velocidad o muy calientes.

Por otro lado, los Mosfets SIC manejan mejor el calor, cambian más rápido y son más eficientes, lo que los convierte en un favorito para los usos modernos, como automóviles eléctricos y sistemas industriales de alto rendimiento.Aunque cuestan más al principio y necesitan circuitos de unidad más complejos, las mejoras continuas en la tecnología SIC están reduciendo estos problemas, lo que lleva a un uso más amplio.

La elección entre SI IGBTS y SIC MOSFET depende de las necesidades específicas de la aplicación, como los niveles de voltaje y corriente, la velocidad de conmutación y la gestión del calor.Al usar las fortalezas de cada dispositivo, los ingenieros pueden diseñar y construir mejores sistemas electrónicos de potencia, impulsando las mejoras y la eficiencia en diversos campos de tecnología.

Preguntas frecuentes [Preguntas frecuentes]

1. ¿Cuál es mejor IGBT o MOSFET?

La elección entre IGBT y MOSFET depende de para qué lo necesite.Los MOSFET generalmente son mejores para tareas de baja a media de potencia que necesitan velocidades de conmutación rápidas y una buena gestión del calor.Son buenos para cosas como fuentes de alimentación y controladores de motor.Las IGBT, por otro lado, son mejores para tareas de alta potencia porque pueden manejar corrientes más grandes y voltajes más altos, lo que los hace ideales para motores industriales e inversores de energía.

2. ¿Puede IGBT reemplazar MOSFET?

A veces, los IGBT pueden reemplazar los MOSFET, especialmente en tareas de alta potencia, donde es muy necesario manejar grandes corrientes y voltajes.Sin embargo, debido a que los IGBT cambian más lento y manejan el calor de manera diferente, es posible que no sean buenos para las tareas que necesitan un cambio muy rápido y una baja pérdida de potencia, donde los MOSFET son mejores.

3. ¿Cómo sé si tengo IGBT o MOSFET?

Para averiguar si tiene un IGBT o MOSFET, consulte el número de pieza y los detalles del fabricante.Las hojas de datos le dirán si el dispositivo es un IGBT o un MOSFET.Pueden parecerse, por lo que debe verificar la documentación o las marcas en el componente.

4. ¿Cuál es el dispositivo de conmutación más rápido IGBT o MOSFET?

Los MOSFET son generalmente los dispositivos de conmutación más rápidos en comparación con los IGBT.Pueden cambiar a velocidades mucho más altas, lo que los hace adecuados para tareas que necesitan un cambio rápido, como en los suministros de alimentación e inversores de alta frecuencia.

5. ¿Cómo sé si tengo IGBT o MOSFET?

Puede averiguar si tiene un IGBT o MOSFET mirando las marcas del componente y comparándolas con hojas de datos o detalles del fabricante.Estos documentos brindan información detallada sobre el tipo de dispositivo semiconductor, incluido si se trata de un IGBT o un MOSFET.