MOSFET対IGBT

パワーエレクトロニクスの世界では、電子システムのパフォーマンス、効率、および信頼性を改善するために、適切な半導体デバイスを選択することが非常に重要です。2つの一般的なオプションは、シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（SI IGBT）と炭化シリコン金属酸化物 - 酸化誘電体電界効果トランジスタ（SIC MOSFET）です。これらの各デバイスには独自の機能と利点があり、さまざまな用途に適しています。この記事では、SI IGBTとSIC MOSFETの主な違いについて説明し、特にモータードライブシステムにおけるインバーター技術にどのように影響するかについて議論します。これらの違いを理解することにより、エンジニアとデザイナーはパワーエレクトロニクスプロジェクトを改善するためにより良い決定を下すことができます。

カタログ

図1：MOSFET対IGBT

SI IGBTとSIC MOSFETの理解

SIC MOSFETS

炭化シリコン金属酸化物 - 酸化系伝導器フィールド効果トランジスタ（SIC MOSFETS）は、ゲート端子に適用される電圧を制御することにより機能します。SIC MOSFETSの主な利点の1つは、熱暴走に対する強い抵抗性です。これは、温度の上昇がさらに温度上昇する状態で、デバイスの故障を引き起こす可能性があることです。この耐性は、主に通常のシリコンと比較して炭化シリコン（原文）の熱伝導率が向上しているためです。SICの高熱伝導率は、デバイスレベルでの効果的な熱放散を保証し、高出力条件下でも安定した動作温度を維持します。

熱を管理するこの能力は、自動車や産業環境に見られるような高温の環境で非常に重要です。これらの状況では、電子部品の信頼性と効率性は非常に重要であり、SIC MOSFETは強力なソリューションを提供します。パフォーマンスを維持し、困難な条件下で過熱を防ぐ能力により、熱を管理することが大きな懸念事項であるパワーエレクトロニクスにとって非常に望ましいものになります。

SI IGBT

シリコン挿入ゲート双極トランジスタ（SI IGBT）は、電流によって制御される半導体デバイスであり、電流をゲート端子に適用することで機能します。これらのトランジスタは、一般的に、特にモータードライブで直接電流（DC）を交互の電流（AC）に変換するアプリケーションで使用されます。SI IGBTの魅力は、高流を効果的に処理する能力です。また、高速スイッチング速度も提供しています。これは、迅速かつ正確な電力制御を必要とするアプリケーションにとって非常に重要です。

電気特性に関して、SI IGBTの高電圧定格は高電圧条件下で安全に動作できるようにします。また、電流を伝導するときにデバイス全体で電圧降下が低く、電力損失が低く、効率が向上します。さらに、SI IGBTのコンダクタンス損失は低いため、トランジスタが「オン」状態にあるときに使用する電力が少なくなり、システムの全体的なパフォーマンスが向上します。

これらの品質により、SI IGBTは、製造システムのような高出力モータードライブアプリケーションに特に適しています。これらの困難な環境での彼らの強力なパフォーマンスは、大きな電流と電圧を効果的に切り替える能力によるものであり、高出力モーターを制御するための手頃な価格で信頼できる選択肢となっています。

インバーターとモータードライブシステムへの影響

図2：インバーターとモータードライブシステムへの影響

モータードライブアプリケーションでは、インバーターは、電動モーターが実行する必要があるバッテリーシステム（DC）を交互の電流（AC）に変更することに大きな役割を果たします。この変更は、大型バッテリーパックがDC電源を必要とする電気自動車には非常に必要です。インバーターは、速度、トルク、パワー、効率など、モーター性能の多くの重要な部分を処理します。また、再生ブレーキを支援します。これは、ブレーキング中にエネルギーをキャプチャしてバッテリーに戻す機能であり、システム全体をよりエネルギー効率の高いものにします。

使用されるインバーターのタイプは、モータードライブシステムの動作に大きく影響します。歴史的に、2種類のインバーターが広く使用されてきました：シリコン絶縁ゲート双極トランジスタ（SI IGBT）と炭化シリコン金属酸化物 - 酸化誘導体フィールド効果トランジスタ（SIC MOSFET）。

SI IGBTは信頼性が高く、それらの製造プロセスが十分に確立されているため、標準的な選択肢でした。ただし、SIC MOSFETはパフォーマンスが向上するため、より人気が高まっています。SIC MOSFETは、スイッチング損失が低く、熱伝導率が向上しており、SI IGBTと比較してより高い頻度と温度で機能します。これらの利点は、効率が向上し、冷却の必要性が少なく、より小さく軽いモータードライブシステムを設計する能力につながります。

最初は、SIC MOSFETの高コストにより、使用の使用がハイエンドまたは特別なアプリケーションに制限されていました。ただし、製造技術と大量生産の改善により、SICデバイスのコストが大幅に削減されるため、より幅広いモータードライブアプリケーションの実用的で魅力的なオプションとなっています。このコスト削減は、パフォーマンスの利点とともに、自動車、産業自動化、再生可能エネルギーセクターなど、さまざまな業界でSIC MOSFETをより多く使用することになりました。

SI IGBTおよびSIC MOSFETの利点と短所

SI IGBTS（シリコン絶縁ゲート双極トランジスタ）

シリコン絶縁ゲート双極トランジスタ（SI IGBT）は、パフォーマンスの強い特性により、高出力用途で広く使用されています。以下は、それらの利点と欠点を詳細に見ています。

•SI IGBTの利点

大きな電流をうまく処理します： SI IGBTは、大きな電流を効率的に管理するのに非常に優れています。これにより、産業機械や電気自動車などの大量の電力負荷を処理する必要があるアプリケーションに適した選択肢になります。

高速スイッチング速度： SI IGBTはすぐにオンとオフを切り替えることができるため、現在の流れの迅速な変化が必要なシステムでのパフォーマンスが向上します。この高速スイッチング機能は、急速な変化を必要とするアプリケーションに役立ち、応答性とパフォーマンスが向上します。

低コスト： SI IGBTの生産プロセスは成熟しており、確立されているため、生産コストが削減されます。このコストの利点により、SI IGBTは多くの高出力アプリケーションの予算に優しい選択となり、システム全体の費用を抑えます。

高電圧を処理できます： SI IGBTは高電圧に耐えることができ、高電圧レベルで動作するアプリケーションに適しています。この能力は、高電圧の持久力が必要な送電および流通システムで特に役立ちます。

低エネルギー損失： Si IGBTは、電流を伝導するときに電圧降下とコンダクタンス損失を最小限に抑えます。この効率は、エネルギー損失の減少とシステム全体のパフォーマンスの改善につながります。これは、電力敏感なアプリケーションの効率を維持するのに適しています。

•SI IGBTの短所

過熱しやすい： 電気自動車や産業システムなどの高出力アプリケーションでは、SI IGBTは過熱する可能性があります。この過熱は、温度上昇が温度のさらなる上昇を引き起こし、潜在的にデバイスの故障につながる条件である熱暴走につながる可能性があります。この熱問題のリスクは、高出力の状況で信頼性の懸念を引き起こします。

ターンオフ時間が遅い： 一部の新しい半導体デバイスと比較して、Si IGBTはオフになるのに時間がかかります。この遅いターンオフは、高周波インバーターや高度なモーター制御システムなど、非常に速いスイッチングが必要なアプリケーションでの有効性を制限する可能性があります。ターンオフ時間が遅いと、スイッチング損失が増加し、そのようなアプリケーションの全体的な効率が低下する可能性があります。

SIC MOSFETS（シリコン炭化物金属酸化物 - 陰導体フィールド効果トランジスタ）

モータードライブアプリケーションでは、シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（SI IGBT）と炭化シリコン金属酸化物 - 酸化誘電体フィールド効果トランジスタ（SIC MOSFETS）を選択すると、システムのパフォーマンスと効率に大きく影響します。SIC Mosfetsの長所と短所を理解することで、いくつかの課題にもかかわらず、多くの高性能アプリケーションでそれらが人気のある選択肢になっている理由を説明するのに役立ちます。

•SIC MOSFETの利点

より高い効率： SIC MOSFETは、SI IGBTと比較して、伝導と切り替えの損失が低いです。これにより、効率が向上し、エネルギー消費が低下し、モータードライブシステムの全体的な性能が向上します。損失が低いということは、エネルギーが少ないことを熱として無駄にし、より効果的な電力使用につながることを意味します。

より良い熱管理： 炭化シリコンは、シリコンよりも熱をよりよく導きます。これにより、SIC MOSFETは熱をより効果的に処理し、高出力条件下でもパフォーマンスと信頼性を維持できます。より良い熱管理により、広範な冷却システムの必要性が減り、設計がよりシンプルになり、コストが削減されます。

より速い切り替え： SIC MOSFETは、SI IGBTよりもはるかに高いスイッチング周波数で動作できます。スイッチングが高速化すると、モーターをより正確に制御でき、迅速な切り替えが必要なアプリケーションの性能を向上させることができます。これは、効率と迅速な応答時間が非常に重要な電気自動車ドライブと産業モーター制御で特に役立ちます。

より高い電圧処理： SIC MOSFETは、SI IGBTよりも高い電圧を管理できるため、高電圧アプリケーションに適しています。この高い電圧耐性は、強力な電圧処理が必要な電力グリッドインターフェイスと高電力産業ドライブに役立ちます。

サイズが小さい： 効率が向上し、熱特性が向上しているため、SIC MOSFETはシリコンのカウンターパートよりも小さくすることができます。このサイズの削減は、よりコンパクトで軽量のシステムを作成するのに適しています。これは、節約スペースと重量が非常に重要な電気自動車などの用途で特に価値があります。

•SIC MOSFETの短所

より高いコスト： SIC MOSFETを作成することは、SI IGBTを作成するよりも複雑で高価です。この生産コストが高いほど、購入価格が高くなります。これは、特に費用に敏感なアプリケーションでは、障壁になる可能性があります。ただし、製造業が改善し、大量に生産されるにつれて、これらのコストは徐々に減少しています。

市場の使用限定： 新しい技術として、SIC MOSFETSはまだSI IGBTほど広く採用されていません。この限られた使用により、利用可能なコンポーネントが少なくなり、サポートが少なくなる可能性があり、エンジニアが部品を見つけて技術的なヘルプを得るのが難しくなります。時間が経つにつれて、SICテクノロジーがより一般的になるにつれて、この制限は減少すると予想されます。

複雑なドライブのニーズ： SIC MOSFETSは、SI IGBTと比較して、より高度なドライブ回路を必要とすることがよくあります。このドライブ回路の​​複雑さにより、システム全体の設計が複雑になり、開発コストが増加する可能性があります。エンジニアは、SICテクノロジーから完全に利益を得るために、これらのサーキットを慎重に設計および実装する必要があります。

SIC MOSFETを使用したインバーター技術の改善

図3：電力キャビネットSIソリューションとモータードライブインバーターのSICソリューションの比較

シリコン炭化物MOSFET（SIC MOSFETS）は、モータードライブシステムのインバーター技術を大幅に改善し、シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（SI IGBT）よりも多くの利点を提供しています。SIC MOSFETは、スイッチング損失が低いため、はるかに高いスイッチング速度で動作し、モーター速度とトルクをより正確に制御できるようになります。また、熱をよりよく処理するため、熱をより効果的に取り除き、大規模な冷却システムの必要性を減らします。これにより、より小さくて軽いインバーターデザインにつながります。これは、特に電気自動車に適しています。

SIC MOSFETは、より高い温度でも機能し、困難な条件でモータードライブシステムの信頼性と寿命を高めることができます。SI IGBTは、安価なアプリケーションや、高いスイッチング速度と熱管理が懸念されない場合でも使用される場合がありますが、効率、熱ハンドリング、SIC MOSFETのパフォーマンスが高くなると、高性能で信頼性の高いモータードライブアプリケーションに最適です。電気自動車や産業用自動化を含む。

IGBTとMOSFETの主な違い

パラメーター	IGBT	モスフェット
電圧範囲	600V〜6500V（一般的な高電圧アプリケーション）	20V〜1000V（一般的な低から中電圧アプリケーション）
典型的なアプリケーション	高電圧、高電流アプリケーション、たとえば、電力網、産業 モーター、インバーター	低〜中電圧アプリケーション、例えば電源、オーディオ アンプ、およびモーターコントローラー
オンステート電圧ドロップ（vce または vDS））	より高い電圧降下、通常2V〜4V	低い電圧降下、通常0.1V〜1V
スイッチング速度	スイッチング速度が遅い（より低い周波数に適しています アプリケーション）	より速いスイッチング速度（高周波アプリケーションに適しています）
伝導損失	双極性の性質と高電圧低下により高くなります	単極性と低い電圧低下のために低い
スイッチング損失	スイッチング速度が遅いため高	スイッチング速度が速いため、低くなります
熱安定性	より高い電力レベルでのより良い熱性能	IGBTと比較して、熱性能が限られています
複雑さを制御します	より簡単なゲートドライブ要件、通常は電圧制御されています	通常、より複雑なゲートドライブ回路が必要です 現在の制御
凹凸	一般的に、より良い短絡に耐える能力	通常、短絡に耐える能力が低くなります
料金	一般に、同等の電圧評価の場合	通常、同等の電圧定格の場合は低くなります

デバイスの種類

図4：デバイスの種類-MOSFETとIGBTシンボルの比較

IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、MOSFET（金属酸化酸化伝達型のフィールド効果トランジスタ）と双極トランジスタの混合です。彼らはMOSFETのような電圧制御ゲートを持っているため、切り替えが簡単になります。彼らはまた、双極様電流運搬能力を備えており、高電力レベルを処理できるようにします。対照的に、MOSFETは電圧制御トランジスタのみです。ソース端子と排水端子間の電流の流れは、ゲートに加えられた電圧によって制御されます。

電圧定格

図5：排水/コレクターの電圧対MOSFETおよびIGBTの電流

電圧定格の場合、IGBTは、数百から数千のボルトの範囲で、高電圧の使用に適しています。これにより、モータードライブやパワーインバーターなどの高出力アプリケーションに適しています。MOSFETは通常、電子スイッチング回路と電圧レジュレーターで一般的な数十から数百ボルトまでの低い電圧アプリケーションで使用されます。

現在の取り扱い

図6：MOSFETおよびIGBTの25°Cおよび150°CでのVD-ID特性

現在の取り扱いに関しては、IGBTは双極電流運動機能のため、高電流アプリケーションに最適です。これにより、高出力設定で有用になります。ただし、MOSFETは通常、高効率と高速スイッチングが必要な電流アプリケーションが低くなるために使用されます。

スイッチング速度

スイッチング速度は別の大きな違いです。IGBTSはMOSFETよりも遅い切り替えです。これは、高速スイッチングが不要なアプリケーションには適しています。一方、MOSFETは高周波使用のために作られており、より速いスイッチング速度を提供します。これにより、迅速かつ効率的なスイッチングが必要な電源やコンバーターなどのアプリケーションに適しています。

効率

効率は、電圧と電流レベルに基づいてIGBTとMOSFETの間で異なります。IGBTは、高電圧と電流での伝導損失が低いため、高出力アプリケーションではより効率的になります。ただし、MOSFETは、抵抗が低いため、低電圧と電流が低いため、より効率的です。

アプリケーション

図7：MOSFETの基本構造とIGBT基本構造

これらのデバイスの使用は、その強みを反映しています。IGBTは、高電圧と電流を処理する能力により、モータードライブ、電力インバーター、誘導加熱システムなどの高出力状況で一般的に使用されます。MOSFETは、電子スイッチング回路や電圧調整器など、より低い電力レベルでの高速スイッチングと効率を優先するアプリケーションに適しています。

ゲートドライブの要件

最後に、ゲートドライブの要件はIGBTとMOSFETの間で異なります。IGBTは、エミッタと比較してゲートに正の電圧をオンにしてオンにし、ゲート電圧を下げることでオフにします。ただし、MOSFETは、オンとオフの電源の両方のソースに対してゲートに正の電圧が必要であり、ゲートドライブをよりシンプルで簡単にする必要があります。

結論

SI IGBTとSIC MOSFETの両方に、さまざまな高出力アプリケーションに合ったユニークな強みがあります。SI IGBTは、大きな電流と高電圧の取り扱いに最適で、生産が安く、産業用モーターやパワーグリッドなどの従来の用途に信頼性があります。ただし、それらは過熱してゆっくりと切り替えることができます。これは、高速環境または非常に熱い環境で問題になる可能性があります。

一方、SIC Masfetsは熱をより良く処理し、より速く切り替え、より効率的であるため、電気自動車や高性能産業システムなどの最新の用途のお気に入りになります。最初はよりコストがかかり、より複雑なドライブサーキットが必要ですが、SICテクノロジーの継続的な改善により、これらの問題が減少し、より広く使用されます。

SI IGBTとSIC MOSFETの選択は、電圧と電流レベル、スイッチング速度、熱管理など、アプリケーションの特定のニーズに依存します。各デバイスの強度を使用することにより、エンジニアはより優れた電子システムを設計および構築し、さまざまなテクノロジー分野で改善と効率を促進できます。

よくある質問[FAQ]

1. IGBTまたはMOSFETの方がどれですか？

IGBTとMOSFETの選択は、必要なものに依存します。MOSFETは、一般に、高速スイッチング速度と優れた熱管理が必要な低〜中電源タスクに適しています。それらは、電源やモーターコントローラーなどに適しています。一方、IGBTは、より大きな電流とより高い電圧を処理できるため、高出力タスクに適しています。

2. IGBTはMOSFETを置き換えることができますか？

特に大きな電流と電圧の取り扱いが非常に必要な高出力タスクでは、IGBTがMOSFETを置き換えることができる場合があります。ただし、IGBTはより遅くなり、熱を異なる方法で処理するため、MOSFETの方が優れている非常に速いスイッチングと低電力損失が必要なタスクには良くない場合があります。

3. IGBTまたはMOSFETを持っているかどうかはどうすればわかりますか？

IGBTまたはMOSFETがあるかどうかを確認するには、メーカーの部品番号と詳細を確認してください。データシートは、デバイスがIGBTまたはMOSFETであるかどうかを示します。それらは同じように見えるかもしれないので、コンポーネントのドキュメントまたはマーキングを確認する必要があります。

4.最速のスイッチングデバイスIGBTまたはMOSFETはどれですか？

MOSFETは一般に、IGBTと比較して最速のスイッチングデバイスです。彼らははるかに高速で切り替えることができるため、電源や高周波インバーターなど、迅速な切り替えが必要なタスクに適しています。

5. IGBTまたはMOSFETを持っているかどうかをどのように知ることができますか？

コンポーネントのマーキングを見て、データシートやメーカーの詳細と比較することにより、IGBTまたはMOSFETを持っているかどうかを確認できます。これらのドキュメントは、IGBTかMOSFETかなど、半導体デバイスの種類に関する詳細な情報を提供します。