یکی از مسائل مهم در الکترونیک قدرت کلید زنی و ادوات مربوط به آن می باشد. با توجه به این که انتخاب یک سوییچ مناسب برای مدار بسیار حیاتی است و منبع معتبر و مناسبی هم در این زمینه وجود ندارد، در نوشته زیر سعی کردم تفاوت ها، کاربرد ها، محل استفاده و تجربیاتم را در مورد ماسفت و IGBT به صورت شفاف بیان کنم.
نوشته زیر یک مطلب تخصصی در حوزه مهندسی برق قدرت می باشد. اگر علاقه ای به این حوزه ندارید این نوشته تقریبا برای شما بی فایده خواهد بود
ماسفت و IGBT ها از کجا پدید آمدند؟
در زمان های خیلی دور ( پیش از سال 1970) برای سوییچ زنی در مدارات قدرت از BJT استفاده میشد. استفاده از این عنصر بسیار مشکل بود زیرا BJT ها برای فعال شدن نیاز به جریان بیس بالایی دارند. در اوایل دهه 70 میلادی ترانزیستور های اثر میدانی معرفی شدند. معروف ترین این نوع از ترانزیستور ها ماسفت نام داشت. ماسفت ها برای فعال شدن نیاز به جریان گیت بالایی نداشتند، اما تفاوت بزرگی که با BJT داشتند مشخصه خروجی آنها بود. در این زمان بود که قطعه ای با مشخصه خروجی BJT و بدون نیاز به جریان بیس طراحی شد. در اصل این قطعه از ترکیب یک ماسفت و BJT به وجود آمده بود که با هوشمندی تمام ماسفت در ورودی و BJT در خروجی قرار داشت. با این کار مشخصه خروجی مانند BJT بود و ورودی هم به دلیل وجود ماسفت و گیت نیاز به جریان بسیار پایینی برای راه اندازی داشت. مهمترین مشکل IGBT ها عدم پایداری حرارتی بود، که با گذشت زمان این مشکل حل شده است و از IGBT می توان به عنوان یک قطعه کاربردی استفاده کرد.
ماسفت و کمی در مورد آن
برای انتخاب یک ماسفت باید به نکات زیر توجه کنید:
- پیش از همه چیز باید بدانید که جریان گیت در ماسفت ها بسیار کوچک است. در بیشتر دیتاشیت ها می توانید جریان حداقل برای وصل شدن کلید را ببینید.
- به دلیل جریان گیت کم می توان ماسفت را با میکرو کنترلر به صورت مستقیم فعال کرد ( البته به جز در مدار هایی که به ولتاژ بالای گیت یا مدار بوت استرپ نیاز دارند)، اما این کار اصلا توصیه نمی شود. ممکن است یک پیک ولتاژی داخل مدار قدرت به مدار های کنترلی آسیب برساند یا به هر دلیلی ماسفت جریان غیر منطقی از میکروکنترلر بکشد. برای راه اندازی ماسفت ها معمولا از آی سی های راه انداز استفاده می شود.
- ماسفت ها دیود بدنه دارند. این دیود در مدار ها معمولا برای تخلیه بار به کار می روند( مثلا به صورت دیود هرزگرد در H bridge)،در مدار های سلفی اگر این دیود وجود نداشته باشد، پس از قطع جریان سلف یک پیک ولتاژی معکوس بسیار بزرگ دو سر سوییچ به وجود می آید که می تواند به سوییچ آسیب برساند.
- مسافت ها نمی توانند دمای بالا را تحمل کنند. هر چند که ماسفت هایی برای دمای بالا طراحی شده اند، اما بیشتر ماسفت ها در رنج دمایی حداکثر تا 200 درجه سلسیوس کاربردی هستند.
- مشخصه ای در دیتاشیت ها وجود دارد به نام RDS ON. این مشخصه مقاومت درین- سورس ر در جریان های مختلف به ازای دما های کاری نشان می دهد. همواره به افت ولتاژ درین سورس ماسفت دقت کنید.
IGBT و کمی در مورد آن
برای انتخاب یک IGBT باید به نکات زیر توجه کنید:
- این ادوات مانند ماسفت ها جریان گیت کمی لازم دارند.
- نسبت به ماسفت ها قیمت بالاتری دارند. البته این مسئله در همه نوع IGBT صادق نیست اما طیف بالایی از این سوییچ ها به نسبت ماسفت دارای قیمت بالاتری هستند.
- سرعت کلید زنی کمتری نسبت به ماسفت ها دارند.
- دیود بدنه ندارند. البته در بیشتر IGBT ها با توجه به فناوری های جدید دیود بدنه توسط سازنده ایجاد می شود اما مبنای طراحی خود را بر نبود دیود بدنه در این ادوات بگذارید.
هر کدام معمولا در کجا به کار می روند؟
جدول زیر به خوبی می تواند کاربرد های معمول این دو قطعه را نشان دهد
| ماسفت | IGBT |
| .منابع تغذیه سوییچینگ با فرکانس بیش از 200 کیلو هرتز .کنترل موتور های توان پایین .شارژر های باتری .جایی که تغییرات گسترده بار ورودی داشته باشیم | .اینورتر های کنترل دور موتور با فرکانس کمتر از 20 کیلو هرتز . منابع برق اضطراری یا UPS .دستگاه های جوشکاری با جریان بالا . جایی که تغییرات دمایی بالا داشته باشیم |
جدول بالا کاربرد های مرسوم این ادوات را نشان می دهد. این بدان معنی نیست که مثلا برای منابع تغذیه سوییچینگ باید حتما از ماسفت استفاده کنیم. در نظر داشتن جدول بالا می تواند در تصمیم گیری برای انتخاب سوییچ مناسب در مدار استفاده شود.
بالاخره کدام یک را انتخاب کنیم؟ IGBT یا ماسفت؟
برای پاسخ به این سوال نیاز است که دقیقا بدانید قرار است برای چه محیط و چه مداری طراحی انجام دهید. از شرایط محیط می توان به دما و از شرایط مدار می توان به توان، فرکانس کلید زنی و ولتاژ دو سر سوییچ اشاره کرد که در انتخاب مهم خواهند بود.
شرایط محیطی : بالا بودن دما می تواند در کار ماسفت ها مشکل ایجاد کند. به همین دلیل برای محیط هایی که دمای کاری قطعه بالاتر از 100 درجه باشد از IGBT استفاده می شود. دقت کنید که دمای کاری سوییچ مهم است نه دمای کلی محیط، معمولا به علت فرکانس بالا در کلید زنی دمای کاری سوییچ بسیار بیشتر از دمای محیط خواهد بود. البته استفاده از خنک کننده ها ( هیت سینک و فن) می تواند تاثیر بسزایی در دمای کاری سوییچ داشته باشد.
شرایط فرکانس کلید زنی : فرکانس کلید زنی در مدار یکی از مهم ترین مقوله های انتخاب سوییچ می باشد. در شرایط معمول برای انتخاب سوییچ به فرکانس کلید زنی آن توجه ویژه ای می کنند. ماسفت ها می توانند رنج های بالایی از فرکانس های کلید زنی را پوشش دهند. در فرکانس های کلید زنی کمتر از 150 کیلوهرتز ( به طور تقریبی) برای انتخاب سوییچ به توان خروجی مدار توجه می شود اما بیشتر از 150 کیلوهرتز به طور عمده از ماسفت استفاده می شود. IGBT ها در فرکانس های بالا محدودیت های بزرگی دارند و معمولا از ماسفت استفاده می شود. برای فرکانس های پایین تر هم برای رنج فرکانسی 10 کیلوهرتز تا 150 کیلوهرتز می توان هم از ماسفت استفاده کرد و هم از IGBT. اما برای فرکانس های بسیار پایین در حدود زیر 10 کیلوهرتز معمولا از IGBT استفاده می شود، هرچند از ماسفت هم می توان استفاده کرد.
شرایط توان : حداکثر ولتاژ تحمیلی بر سوییچ و جریان عبوری از آن مهمترین مولفه انتخاب سوییچ است. اگر ولتاژ سوییچ ها کمتر از 200 ولت باشد، صرفنظر از فرکانس، انتخاب ماسفت به صرفه است. حتی اگر جریان بالایی هم قرار است از سوییچ عبور کند می توانید با موازی کردن چند ماسفت این جریان را تقسیم کنید. در ولتاژ های بالاتر از 500 ولت و جریان بیش از 5 آمپر IGBT به صرفه تر خواهد بود. زیرا ماسفت ها در این رنج ولتاژی بسیار گران هستند و از نظر اقتصادی به صرفه نیستند.
در ولتاژ های بین 200 تا 600 ولت هم می توانید از شرایط جریانی و فرکانسی استفاده کنید. شرایط فرکانسی که توضیح داده شد اما شرایط جریانی به این صورت است که برای جریان های بالا از IGBT استفاده می شود.
مهندسی انتخاب کنید!
اگر مطالب بالا را مطالعه کرده باشید، می توانید برای یک مدار سوییچ مناسب را انتخاب کنید. اما در طراحی مدار ها خصوصا در مدار هایی که قرار است در تیراژ بالا تولید شوند، بیش از موارد بالا در انتخاب سوییچ دخیل هستند. در بیشتر پروژه ها مسائل اقتصادی حرف اول را می زند، البته مواردی که در بالا برای انتخاب سوییچ ذکر شد هم بیشتر بر پایه مسائل اقتصادی بود اما طراحی مهندسی کمی متفاوت است. برای مثال فرض کنید که قرار است یکی از این سوییچ ها را در مداری استفاده کنید که درایور لامپ های LED است. این مدار علاوه بر ارزان بودن باید دارای قابلیت هایی نظیر کوچک بودن، در دسترس بودن و عمر محدود باشد. بازار برق ایران و خصوصا ادوات الکترونیک قدرت معمولا از چین تامین می شود و ممکن است اتفاقات عجیب و غریبی را در آن شاهد باشید، مثل پیدا شدن یک سری از قطعات دست دوم در بازار به اسم قطعه نو!
در طراحی مدار ها باید این نکته را هم در نظر بگیرید که طول عمر مدار قرار است چقدر باشد. می توانید برای مدار هایی که تیراژ پایین تولید دارند طول عمر کمی در نظر بگیرید. بهترین قطعات برای این که در مدار پس از مدت مشخصی دچار مشکل شوند سوییچ ها و ترانس ها می باشند. در ترانس که با تعیین نقطه کار و همچنین استفاده از جنس خاص عایقی سیم پیچ ها می توان به راحتی طول عمر معینی را به آن اختصاص داد اما در سوییچ ها کار کمی سخت تر است. در دیتاشیت سوییچ ها میزان تلفات و گرمای تولید شده توسط سوییچ نوشته می شود که با استفاده از آن می توانید همواره سوییچ را در دمای موردنظر نگه دارید. تلفات روی سوییچ و ایجاد گرما در طولانی مدت مهمترین عامل خرابی آن ها می باشند.
و نکته آخر…
تمام موارد بالا تجربیات شخصی بنده در طراحی مدارت الکترونیک قدرت بود. این تجربیات قطعا بسیار ناقص است و حتی در مواردی اشتباه. گاهی نیاز است که با آزمون و خطا خود به تجربه هایی در این حوزه دست پیدا کنید، این مسائل، مربوط به علم نیستند بلکه فناوری نامیده می شوند و تقریبا حکم همان فوت کوزه گری استاد را دارند.
سلام
تشکر، برای کار میدانی و عملیاتی خیلی خوب بود.
ممنون