Verschil tussen IGBT en MOSFET

De bipolaire transistors waren de enige echte machtstransistor die werd gebruikt totdat de zeer efficiënte MOSFET's in de vroege jaren zeventig waren ontstaan. De BJT's hebben sinds de start eind 1947 essentiële verbeteringen ondergaan in de elektrische prestaties en worden nog steeds veel gebruikt in elektronische circuits. De bipolaire transistoren hebben relatief langzame uitschakelkarakteristieken en vertonen een negatieve temperatuurcoëfficiënt die kan leiden tot secundaire afbraak. MOSFET's zijn echter apparaten die spanningsgestuurd zijn in plaats van stroomgestuurd. Ze hebben een positieve temperatuurcoëfficiënt voor weerstand die de thermische uitwijking stopt en als gevolg daarvan vindt secundaire afbraak niet plaats. Toen kwamen IGBT's in de late jaren tachtig in beeld. De IGBT is in feite een kruising tussen de bipolaire transistors en MOSFET's en is ook spanningsgestuurd zoals MOSFET's. Dit artikel belicht enkele belangrijke punten die de twee apparaten met elkaar vergelijken.

Wat is een MOSFET?

MOSFET, afkorting voor "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor", is een speciaal type veldeffecttransistor dat veel wordt gebruikt in zeer grootschalige geïntegreerde schakelingen, dankzij de geavanceerde structuur en hoge ingangsimpedantie. Het is een halfgeleiderapparaat met vier aansluitingen dat zowel analoge als digitale signalen bestuurt. De poort bevindt zich tussen de bron en de afvoer en is geïsoleerd door een dunne laag metaaloxide die voorkomt dat de stroom tussen de poort en het kanaal stroomt. De technologie wordt nu gebruikt in allerlei soorten halfgeleiderapparaten om zwakke signalen te versterken.

Wat is een IGBT?

IGBT, staat voor "Insulated Gate Bipolar Transistor", is een drieterminal halfgeleiderapparaat dat het stroomvoerende vermogen van een bipolaire transistor combineert met het bedieningsgemak van dat van een MOSFET. Ze zijn een relatief nieuw apparaat in vermogenselektronica die doorgaans wordt gebruikt als een elektronische schakelaar in een breed scala aan toepassingen, van middelgrote tot ultrahoge energietoepassingen zoals geschakelde voedingen (SMPS). De structuur is bijna identiek aan die van een MOSFET behalve de toevoeging van een p-substraat onder het n-substraat.

Verschil tussen IGBT en MOSFET

1. Basis van IGBT en MOSFET

IGBT staat voor Insulated-Gate bipolaire transistor, terwijl MOSFET een afkorting is voor Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Hoewel beide spanningsgestuurde halfgeleiderapparaten zijn die het best werken in SMPS-toepassingen (Switch Mode Power Supply), combineren IGBT's de hoge stroomafhandelingsmogelijkheden van bipolaire transistoren met het eenvoudige besturingsniveau van MOSFET's. IGBT's zijn poortwachters van stroom die de voordelen van een BJT en MOSFET combineren voor gebruik in voedings- en motorbesturingscircuits. MOSFET is een speciaal type veldeffecttransistor waarin de aangelegde spanning de geleidbaarheid van een apparaat bepaalt.

2. Werkingsprincipe van IGBT en MOSFET

Een IGBT is in wezen een MOSFET-apparaat dat een bipolaire junctie-vermogenstransistor bestuurt met beide transistoren geïntegreerd op een enkel stuk silicium, terwijl MOSFET de meest gebruikelijke geïsoleerde poort-FET is, meestal gefabriceerd door de gecontroleerde oxidatie van silicium. MOSFET werkt in het algemeen door de breedte van het kanaal elektronisch te variëren door de spanning op een elektrode die de poort wordt genoemd en die zich tussen de bron en de afvoer bevindt, en is geïsoleerd door een dunne laag siliciumoxide. Een MOSFET kan op twee manieren werken: Depletion-modus en Enhancement-modus.

3. Ingangsimpedantie van IGBT en MOSFET

Een IGBT is een spanningsgestuurd bipolair apparaat met een hoge ingangsimpedantie en een grote stroomafhandelingsmogelijkheid van een bipolaire transistor. Ze kunnen eenvoudig worden bestuurd in vergelijking met stroomgestuurde apparaten in toepassingen met een hoge stroomsterkte. MOSFET's hebben bijna geen ingangsstroom nodig om de belastingsstroom te regelen, waardoor ze meer weerstand bieden bij de poortaansluiting, dankzij de isolatielaag tussen de poort en het kanaal. De laag is gemaakt van siliciumoxide dat een van de beste gebruikte isolatoren is. Het blokkeert efficiënt de aangelegde spanning met uitzondering van een kleine lekstroom.

4. Schadebestendigheid

MOSFET's zijn gevoeliger voor elektrostatische ontlading (ESD) omdat een hoge ingangsimpedantie van MOS-technologie in een MOSFET de lading niet op een meer gecontroleerde manier zal laten dissiperen. De extra siliciumoxide-isolator vermindert de capaciteit van de poort, waardoor deze kwetsbaar wordt voor zeer hoge spanningspieken die onvermijdelijk de interne componenten beschadigen. MOSFET's zijn erg gevoelig voor ESD's. De derde generatie IGBT's combineert de spanningsaandrijfkarakteristieken van een MOSFET met het lage on-resistance vermogen van een bipolaire transistor, waardoor ze extreem tolerant zijn tegen overbelasting en spanningspieken.

5. Toepassingen van IGBT en MOSFET

MOSFET-apparaten worden veel gebruikt voor het schakelen en versterken van elektronische signalen in elektronische apparaten, meestal voor toepassingen met hoge ruis. De meeste toepassingen van een MOSFET bevinden zich in voedingen met schakelmodus, plus ze kunnen worden gebruikt in klasse D-versterkers. Ze zijn de meest gebruikelijke veldeffecttransistor en kunnen in zowel analoge als digitale circuits worden gebruikt. IGBT's, aan de andere kant, worden gebruikt in middelgrote tot ultrahoogvermogenapplicaties zoals schakelende voeding, inductieverwarming en tractiemotorregeling. Het wordt gebruikt als een vitaal onderdeel in moderne apparatuur zoals elektrische auto's, lamp-voorschakelapparaten en VFD's (frequentieregelaars).

IGBT versus MOSFET: vergelijkingsschema

Samenvatting van IGBT Vs. MOSFET

Hoewel zowel IGBT als MOSFET spanningsgestuurde halfgeleiderapparaten zijn die voornamelijk worden gebruikt om zwakke signalen te versterken, combineren IGBT's de lage on-resistance mogelijkheid van een bipolaire transistor met de spanningsaandrijfkarakteristieken van een MOSFET. Met de wildgroei aan keuzes tussen de twee apparaten, wordt het steeds moeilijker om het beste apparaat te kiezen op basis van hun applicaties alleen. MOSFET is een halfgeleiderapparaat met vier aansluitingen, terwijl IGBT een apparaat met drie aansluitingen is dat een kruising is tussen de bipolaire transistor en een MOSFET, waardoor ze extreem tolerant zijn voor elektrostatische ontlading en overbelasting.