W systemach zasilania dominują dwa typy tranzystorów mocy: MOSFET oraz IGBT. Są powszechnie używane od wielu lat, łatwo więc przyjąć założenie, że różnice między nimi nie ulegną zmianie z roku na rok.

W ogólności to stwierdzenie jest prawdziwe: tranzystory MOSFET, jak zawsze, pozwalają uzyskać wyższe szybkości przełączania i wyższą sprawność, ale są mniej trwałe i mają niższy prąd znamionowy. Tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) przełączają się wolniej i powodują większe straty przełączania i przewodzenia, ale są bardziej odporne i wytrzymują duże prądy chwilowe oraz ciągłe.

Wobec tego ogólna zasada wyboru między układami MOSFET a IGBT pozostaje stała i w większości przypadków jest oczywiste, który tranzystor będzie lepszy. Jednak oba rodzaje układów cały czas ewoluują wraz z ciągłymi badaniami nad nowymi technologiami i produktami prowadzonymi przez głównych dostawców, takich jak STMicroelectronics, ON Semiconductor czy Fairchild. Istnieje również pewien obszar zastosowań, w których można użyć równie dobrze układów IGBT oraz MOSFET. Przesuwa się on w miarę, jak jeden lub drugi typ układu uzyskuje nowe cechy lub zwiększoną wydajność. W niniejszym artykule zostały wyjaśnione charakterystyki pracy najnowszych generacji układów MOSFET oraz IGBT. Pozwoli to ich użytkownikom lepiej zrozumieć, jakim wymaganiom systemu najlepiej odpowiadają poszczególne typy. Jednocześnie artykuł wyjaśni naturę tzw. „szarej strefy” wyboru tranzystorów mocy.

W poszukiwaniu szybkości i sprawności

Badania nad technologiami MOSFET oraz IGBT skupiają się w głównej mierze na zwiększeniu szybkości przełączania, aby uzyskać bardziej precyzyjną i dokładną kontrolę wyjścia mocy oraz szybciej reagować na zmiany obciążenia. Drugim celem jest zwiększenie sprawności poprzez obniżenie strat przełączania i przewodzenia.

W pierwotnych tranzystorach bipolarnych ten proces polegał głównie na niwelacji stosunkowo wolnej charakterystyki wyłączania, która powodowała powstanie długiego „ogona” prądu. Dodatkowo rozwiązania IGBT, będącego udoskonaleniem struktury bipolarnej, rozwijały się w kierunku zmniejszenia napięcia nasycenia kolektor-emiter, oznaczanego zwykle symbolem V_CE(sat). Wartość ta determinuje napięcie elementu w stanie włączenia, a  tym samym straty przewodzenia.

O ile wczesne wersje IGBT miały wady w postaci wspomnianego „ogona” prądu i mogły powodować zjawisko latch-up, w najnowszej generacji IGBT te problemy zostały w znacznym stopniu wyeliminowane. Innym problemem w starszych wersjach IGBT był ich ujemny współczynnik temperaturowy, który mógł powodować niestabilność temperaturową. Z tego powodu trudno było połączyć wiele układów równolegle, aby uzyskać większą moc wyjściową.

Porównanie struktury planarnej (po lewej) i struktury kanału rowkowego (trench) tranzystora IGBT (po prawej). Źródło: STMicroelectronics

Rozwiązaniem tego problemu było najpierw opracowanie technologii planarnej PT (Punch-Through), następnie planarnej NPT (Non-Punch-Through), a w końcu dzisiejszych tranzystorów IGBT technologii trench gate field stop. Te technologie produkcji wafla krzemowego pozwoliły producentom stopniowo zmniejszyć masę krzemu wewnątrz elementu. Ma to liczne zalety:

• Mniejszy koszt – ponieważ z jednego wafla można wyciąć więcej elementów
• Szybsze przełączanie
• Zmniejszenie długości „ogona” prądu, a tym samym strat przełączania
• Obniżenie napięcia kolektor-emiter (nasycenia)

Ograniczenia wydzielanej mocy pozwoliło zwiększyć gęstość mocy, dzięki czemu współczesne tranzystory IGBT mogą pracować z prądami nawet o 50% większymi, niż średnie prądy pierwszych IGBT. Przykładowe elementy wykorzystujące najnowszą technologię IGBT zostały wymienione w tabeli 1:

Tabela 1. Najnowsze rodziny tranzystorów IGBT oferują niskie straty i wysokie szybkości przełączania

Technologia MOSFET: jak najniższa rezystancja włączenia

Podobnie jak IGBT, tranzystory MOSFET przeszły skomplikowaną ewolucję w ciągu ostatnich dwóch dekad. Początkowo struktura MOSFET była planarna – pin bramki był ułożony poziomo na podłożu krzemowym układu. Nowsze modele MOSFET bardzo skutecznie wykorzystały osiągnięcia technologii z kanałem rowkowym oraz wprowadzenie pionowych złącz typu super-junction (SJ). W tych nowszych rozwiązaniach pin bramki jest zanurzony głęboko w materiale podłoża, pozwalając znacznie lepiej wykorzystać dostępny krzem.

Dzięki temu technologia trench stała się najczęściej stosowaną strukturą w układach MOSFET, choć na rynku są wciąż dostępne modele planarne.

Zachowanie planarnego tranzystora MOSFET (FDB44N25) w porównaniu do podobnego układu zrealizowanego przy użyciu technologii kanału rowkowego (FDB2710) – włączenie (na górze) i wyłączenie (na dole). Źródło: Fairchild

Planarne układy MOSFET wciąż istnieją, ponieważ w porównaniu z modelami MOSFET z zanurzoną bramką mają lepszy parametr FBOSA (odporność na uszkodzenia pod wpływem przepięcia) i zdolność indukcyjnego pochłaniania energii (UIS). Te same badania pokazują też, że zachowanie diody wchodzącej w skład tranzystora trench MOSFET podczas włączania jest lepsze od odpowiedniego tranzystora MOSFET ze względu na natężenie prądu wstecznego (rys. 3). Jest to spowodowane głównie tym, że struktura planarnego tranzystora MOSFET wymaga więcej krzemu – o większej grubości i powierzchni kontaktu – niż tranzystory MOSFET z zanurzoną bramką. To sprawia, że układy planarne są mniej wrażliwe na temperaturę i lepiej rozpraszają ciepło, ponieważ większa powierzchnia kontaktu skutkuje mniejszą rezystancją cieplną. Z drugiej strony, zwiększa pojemność pasożytniczą diody tranzystora, spowalniając ją.

Z powyższych rozważań wynika, że wybierając MOSFET do konkretnego zastosowania, projektanci systemów powinni zwracać szczególną uwagę na:

• Elementy pasożytnicze na schemacie zastępczym
• Charakterystyki temperaturowe dla środowiska pracy
• Względną trwałość lub wrażliwość na uszkodzenia wybranej technologii MOSFET

Najważniejsze elementy pasożytnicze, jakie należy brać pod uwagę, to dwie indukcyjności. Mogą one powodować przestrzały i niepożądane oscylacje, spowalniać przełączanie, a także powodować nieoczekiwane niezrównoważenie prądu między dwoma elementami podłączonymi równolegle.

Pierwsza z indukcyjności jest połączona szeregowo z pinem źródła. Ta indukcyjność występuje w pętli kontroli sterującej bramką i wprowadza pewne sprzężenie zwrotne, opóźniając sygnał sterujący bramki. Projektant i tak będzie musiał zadbać o to, aby nie przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego napięcia bramka-źródło. Jednak, jeśli nawet przyłożone napięcie bramki jest niższe od maksymalnego, dodatkowa indukcyjność sprzężona z pojemnością bramki może powodować dzwonienie, które potrafi doprowadzić do uszkodzenia warstwy tlenku.

Wpływ pasożytniczej indukcyjności źródła na proces włączenia

Druga indukcyjność jest połączona szeregowo z pinem drenu. Jeśli nie zostanie stłumiona , powoduje skoki napięcia podczas wyłączania układu. Ten efekt można zminimalizować, stosując tłumienie lub obwody gasikowe. Ponadto podczas włączania pojawia się dodatkowy efekt spowodowany przez indukcyjność – spada napięcie drenu, co powoduje rozładowanie pojemności Millera, przez co sterownik bramki pobiera większy prąd, a przełączanie zostaje spowolnione (rys. 3).

Aby zminimalizować te efekty, indukcyjność pasożytnicza musi być tak niska, jak to możliwe. Da się to osiągnąć, skracając ścieżki sygnału, zmniejszając powierzchnie pętli prądu, odpowiednio prowadząc pary ścieżek i wykorzystując warstwę masy.

Te zabiegi mogą kontrolować indukcyjność pojawiającą się w obwodzie układu MOSFET, ale też należą do ogólnych zasad dobrego projektowania płytki i sprawdzają się również w przypadku tranzystorów IGBT.

Typowy wykres sprawności tranzystorów IGBT oraz MOSFET. Pozwala znaleźć granicę między wyborem układów MOSFET a IGBT w zależności od zastosowania

Jak widać na rys. 4, charakterystyki układów IGBT oraz MOSFET sprawiają, że wybór jednego lub drugiego rozwiązania jest prosty w większości zastosowań. Natomiast w pobliżu punktu przecięcia oba układy wykazują swoje zalety, co utrudnia decyzję. Rozwój układów MOSFET wykonanych w technologii węgliku krzemu (SiC) komplikuje tę kwestie jeszcze bardziej. Układy tego typu zapewniają lepsze parametry (szybsze przełączanie i mniejsze starty) w porównaniu do krzemowych odpowiedników, ale są odpowiednio droższe. Obecnie, po wielu zmianach na drodze rozwoju technologii IGBT i MOSFET, punkt przecięcia znajduje się w obszarze zastosowań, w których napięcia przekraczają 250 V, częstotliwość przełączania mieści się w zakresie od 10 do 200 kHz, a moc systemu wynosi mniej, niż 500 W (rys. 3 i 4).

Na korzyść układów MOSFET przemawia struktura wykorzystująca diodę, która pomaga opanować  przepływ prądu w obwodzie. W niskonapięciowych tranzystorach MOSFET do 200V, takich jak seria STM F7, Fairchild Power Trench, PowerMOS Trench 8 i Trench 9 firmy NXP Semicondutors czy Generation IV firmy Vishay, zintegrowana dioda jest bardzo szybka. Aby uzyskać tą samą funkcjonalność w IGBT, projektant musi wykorzystać układ typu co-packaged IGBT – szybką, dyskretną diodę i tranzystor IGBT zintegrowane w jednej obudowie. Jest to większe i droższe rozwiązanie od standardowego układu MOSFET.

W przypadku zastosowań, w których napięcie pracy przekracza 500 V, sytuacja staje się jeszcze bardziej skomplikowana. Specjalnie do tych zastosowań powstały tranzystory MOSFET super-junction, takie jak MDmesh II, MDmesh V, FDmesh II i SuperMESH 5 firmy STMicroelectronics, serie SuperFet II, Easy Drive, Fast i FRFET (Fast Recovery) Fairchild oraz serie E i EF firmy Vishay. Tranzystory MOSFET super-junction stanowią alternatywę dla zintegrowanych IGBT, będąc w stanie pracować z wyższymi napięciami, niż zwykłe układy MOSFET. Niestety wewnętrzna dioda super-junction jest ze swej natury wolniejsza, niż bardzo szybka dioda (FRED) zintegrowana z IGBT.

W takich zastosowaniach, jak na przykład mostek H w układach mocy, można wybrać jeden ze specjalnych tranzystorów super-junction ze względnie szybką diodą wewnętrzną. Każdy większy producent tranzystorów MOSFET ma w swej ofercie specjalne tranzystory MOSFET super-junction wysokiej szybkości, takie jak FDmesh II firmy ST czy SuperFet II od Fairchild. Jednak nawet te elementy się będą nigdy tak szybkie, jak diody występujące w zwykłych tranzystorach IGBT.

Przy wysokich napięciach układy MOSFET super-junction mogą być odpowiednie, jeśli poziomy mocy wyjściowej są względnie niskie. Powyżej napięć 600 V i przy dużej mocy wyjściowej jedynym wyborem pozostają tranzystory IGBT. Jest tak, ponieważ napięcie nasycenia IGBT pozostaje prawie stałe niezależnie od prądu, natomiast spadek napięcia na rezystancji włączenia tranzystorów MOSFET rośnie wraz ze wzrostem prądu. Zatem przy wysokich mocach straty przewodzenia w układach IGBT są znacznie mniejsze, niż w układach MOSFET.

Przy napięciach poniżej 600 V i stosunkowo niskiej mocy więcej argumentów przemawia za układami MOSFET z powodu ich wyższej częstotliwości przełączania i sprawności. Jednak poza parametrami technicznymi jest jeszcze jeden parametr, który bywa decydujący: oczywiście, cena.