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Comparação entre MOSFETs e IGBTs - Qual o melhor em aplicações até 100 kHz? (ART3974)

Este artigo faz parte do nosso livro Curso de Eletrônica – Eletrônica de potência onde também analisamos o princípio de funcionamento dos IGBTs e dos MOSFETs.

ART1024S

As aplicações industriais que envolvem o controle de potência em inversores, aquecimento indutivo, controle de motores, fontes chaveadas, etc. se baseiam em dois tipos principais de componentes: o IGBT e o MOSFET de potência.

Como escolher o dispositivo ideal para uma aplicação? Quais são as diferenças, principalmente relativas à perdas entre os dois tipos de dispositivos?

Neste item analisamos as principais diferenças entre os dois tipos de dispositivos.

Uma das preocupações que o engenheiro de projetos de sistemas de potência tem nos dias atuais é escolher o dispositivo ideal de controle para a sua aplicação.

Em especial, as características dos semicondutores de potência mais usados para esta finalidade, que são o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) e o MOSFET de potência (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), deixam qualquer profissional em dúvidas.

Para os tipos básicos de IGBT e MOSFET a diferença principal está na estrutura interna. Enquanto no MOSFET a conexão de dreno está em contacto direto com a camada -n, no IGBT existe uma camada adicional +p que é justamente o elemento bipolar.

Para um MOSFET comum de alta tensão a resistência Rds(on) (resistência entre o dreno e a fonte quando o transistor está saturado) é relativamente elevada justamente devido à esta estrutura unipolar.

Para um IGBT a resistência em condução é muito menor devido a modulação de portadores de carga.

Mas, existem ainda diferenças grandes em relação ao tempo que o dispositivo leva para desligar.

Para o MOSFET o tempo que o transistor leva para deixar de conduzir a corrente depende apenas da capacitância de gate, enquanto que para o IGBT este tempo é maior, dependendo das características da própria estrutura do semicondutor.

Isso significa que o tempo de desligamento de um MOSFET pode ser desprezado quando comparado ao de um IGBT, nas aplicações que envolvem sinais de frequências elevadas.

Por este motivo, os IGBTs são preferidos para as aplicações que operam com baixas frequências de comutação, enquanto que os MOSFETs de potência têm um melhor desempenho nas aplicações em que correntes de frequências mais elevadas devam ser controladas.

É claro que a necessidade de se ter sistemas com cada vez menor tamanho e melhor desempenho, faz com que as exigências para as características dos dois tipos de componentes sejam cada vez mais importantes ao se escolher um desses componentes para um projeto.

Assim, para os IGBTs existem tecnologias novas como a Trench e Fieldstop que possibilitam uma redução da tensão de saturação Coletor-Emissor (Vce(sat)). Outras tecnologias possibilitam uma redução nas perdas dinâmicas.

Isso significa que os IGBTs são componentes ideais para aplicações em que baixas frequências são usadas como controles de motores, no-breakes e além disso uma gama menor de aplicações que empregam frequências mais elevadas.

Para os MOSFETs existem também novas tecnologias disponíveis que reduzem as perdas inerentes de condução o que torna o dispositivo eficiente em frequências que atingem algumas centenas de quilohertz.

No projeto de qualquer circuito que envolva o controle de potência, a escolha do dispositivo correto para controlar a corrente principal é um ponto sensível para o qual o profissional deve estar atento.

Se não existem dúvidas de que, nas baixas frequências, o melhor é usar um IGBT e nas altas frequências um MOSFET de potência, o que fazer quando temos um projeto que opere numa faixa intermediária de frequências?

O que deve ser considerado num projeto deste tipo?

O que vamos fazer a seguir é uma comparação entre os IGBTs e os MOSFETs de potência mais modernos verificando a eficiência de cada um nas aplicações para a faixa média de frequências.

Começamos por mostrar na figura 1 os símbolos adotados para os dois tipos de componentes, observando-se que podemos ou não ter nos dois casos os diodos anti-paralelos para absorção de transientes de comutação.

 

Figura 1 – Símbolos para o IGBT e MOSFET
Figura 1 – Símbolos para o IGBT e MOSFET

 

 

É importante levar em consideração a presença destes diodos pois existem aplicações em que ele é necessário e outras em que este componente não é necessário. Desta forma, analisaremos os dois casos.

 

a) Aplicações com o diodo anti-paralelo

Neste tipo de aplicação, a comparação deve ser feita no sentido de que a máxima capacidade de corrente por dispositivo deve ser levada em conta.

Na figura 2 mostramos uma comparação entre as perdas de potência P(tot) e a freqüência dos pulsos (fp) para componentes em invólucros TO-220 TO-263 na linha de dispositivos de 600 V.

 

Figura 2 - Perdas x Frequência
Figura 2 - Perdas x Frequência

 

 

Conforme podemos ver pelas curvas, o IGBT leva vantagens em relação ao FET nas baixas frequências até uns 30 kHz, enquanto que o MOSFET leva vantagens acima de uns 60 kHz, principalmente quando passamos dos 100 kHz.

Neste intervalo, fica difícil decidir sobre qual deve ser usado pois as características estão próximas. O IGBT no1 é um IGBT rápido de 15 A enquanto que o IGBT no2 é um tipo "fast”. O MOSFET é um CoolMOS da Infineon para 13 ampères.

 

Tamanho da Pastilha

Uma consideração importante que deve ser feita na comparação dos IGBTs com os MOSFETs de potência se relaciona com o tamanho da pastilha de silício usada para a fabricação de cada um.

O que se faz neste estudo, neste caso, é comparar um IGBT de 15 A com um FET de apenas 7 A .

Na simulação mostrada na figura 3 temos as seguintes considerações a fazer:

 

Figura 3 – Perdas x Frequência de pulsos
Figura 3 – Perdas x Frequência de pulsos

 

 

Na figura 3 a corrente é limitada ao valor nominal do transistor. Levando em conta os resultados plotados na figura 21 fica evidente que um IGBT e um FET com o mesmo tamanho de pastilha, operando com a mesma densidade de corrente tem seus pontos de coincidência de características em torno de 100 kHz para as perdas de potência.

Nesta figura o IGBT no1 é um tipo Fast com corrente de 15 A, o IGBT no 2 é um IGBT de alta velocidade e o FET é CoolMOS de 7 A.

Veja que nas frequências abaixo de 30 kHz as vantagens dos IGBTs em relação aos MOSFETs se tornam bastante acentuadas.

 

Aplicações com Pulsos de Médias Frequências

Quando comparados aos FETs os IGBTs possuem uma junção P-N inerente devido a modulação de portadores de carga. Devido à presença desta junção PN, o IGBT pode ser substituído por uma tensão de joelho e uma resistência diferencial.

Para as baixas correntes, a queda de tensão num IGBT depende principalmente desta voltagem de joelho enquanto que a queda de tensão no FET depende apenas do valor da resistência Rds(on), o que significa que ela é baixa mesmo para correntes pequenas.

Na figura 4 temos as perdas totais de um transistor para correntes variando entre 1 e 9 ampères, comparando o desempenho de FETs e IGBTs com o mesmo tamanho de pastilha.

 

Figura 4 – Perdas em função da frequência
Figura 4 – Perdas em função da frequência

 

Nesta curva, o IGBT no2 é um tipo de alta velocidade para 15 A e o FET é um tipo CoolMOS de 7 A .

As frequências em que os IGBTs e os FETs apresentam as mesmas perdas são marcadas.

Fica claro, por estas curvas que nas aplicações onde o transistor é usado com correntes muito altas as perdas do IGBT tornam-se muito piores do que as apresentadas pelo FET .

Na figura 5 os pontos em que se têm iguais perdas de potência são marcados. A linha tracejada mostra o resultado para o IGBT quando comparado com um FET com o mesmo tamanho de silício.

 

Figura 5 – Comparação de perdas
Figura 5 – Comparação de perdas

 

 

Para os pontos de operação à esquerda da linha marcada o IGBT leva vantagem, mas à direita é o FET que leva vantagem.

Em suma, usando um IGBT com apenas 40% das dimensões de um FET pode-se obter menores perdas numa frequência de pulso de 12 kHz na condição de trabalho com 3 A de corrente.

Isso ocorre, porque quanto menor for o tamanho da pastilha de silício mais dominantes se tornam as perdas por condução.

Como resultado de tudo isso, torna-se claro que o IGBT é um componente competitivo mesmo em aplicações que tenham uma ampla faixa de tensões.

Para aplicações em que o custo é importante o IGBT é atraente, devido ao tamanho menor do componente. Para aplicações em que custo e eficiência são importantes, o custo por unidade deve ser considerado.

Nas aplicações otimizadas em que as perdas menores dos FETs são importantes, este fator deve ser considerado.

 

Aplicações com Modo Standby

Nas aplicações que tenham o modo standby como, por exemplo, em aparelhos tais como televisores, videcassetes, deve-se levar em conta num projeto o consumo na condição de espera (standby).

Nesta condição uma corrente muito pequena, uma fração da corrente nominal do componente é conduzida. Neste caso os MOSFETs são os mais apropriados para esta modalidade de aplicação.

Tabela comparativa:

Faixa de Frequências Aplicação IGBT FET
Menor que 20 kHz Conversão de potência de alta eficiência com baixa freqüência de pulsos (drivers, inversores para energia solar, etc.) + -
20 kHz a 100 kHz Conversão de potência de alta eficiência com freqüência média de pulsos (controle de corrente, lâmpadas fluorescentes, no-breakes, etc.) + +
20 kHz a 100 kHz Fontes de alimentação com freqüência média de pulsos sem modo standby (fontes chaveadas, PFC, etc.) + +
20 kHz a 100 kHz Fontes de alimentação com freqüência média de pulsos sem modo standby para aplicações críticas (fontes chaveadas, PFC, etc.) - +
20 kHz a 100 kHz Fontes de alimentação com freqüência média de pulsos e modo standby (fontes chaveadas, PFC, etc.) - +
acima de 100 kHz Fontes de alimentação com alta freqüência de pulsos (fontes chaveadas, PFC, etc.) - +

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