MOSFET vs. IGBT: Welches ist besser?

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Was ist ein Mosfet?

Ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ist ein Transistortyp, der in elektronischen Geräten und integrierten Schaltkreisen weit verbreitet ist. Es handelt sich um ein Gerät mit drei Anschlüssen, das zwei mögliche Verwendungen hat: als Verstärker und als Schalter. Eine dünne Oxidisolierschicht (normalerweise Siliziumdioxid) trennt den Halbleiterkanal von der Metallgateelektrode eines MOSFET. Die an den Gateanschluss angelegte Spannung reguliert den Stromfluss durch den Kanal. MOSFETs sind bekannt für ihre Fähigkeit, hohe Ströme und Spannungen zu verarbeiten, ihren geringen Stromverbrauch und ihre schnellen Schaltgeschwindigkeiten. Sie werden häufig in Schaltkreisen für digitale Logik, Spannungsregler und Leistungsverstärker verwendet.

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MOSFET-Symbol und Pinbelegung

Das MOSFET-Symbol ist eine horizontale Linie mit drei vertikalen Linien, die von ihr ausgehen. Gate, Kanal und Substrat werden jeweils durch die vertikalen Linien oben, in der Mitte und unten dargestellt. Sowohl die Drain- als auch die Source-Anschlüsse sind an den Enden des Kanals angebracht.

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Die Pinbelegung eines MOSFET ist wie folgt:

Gate (G): Der Steueranschluss des MOSFET wird als Gate bezeichnet. Das Gate reguliert durch Anlegen einer Spannung die Strommenge, die zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen fließt.
Source (S): Der Anschluss des MOSFET, an dem der Strom eintritt, ist die Source.
Drain (D): Der Anschluss des MOSFET, an dem der Strom das Gerät verlässt, wird als Drain bezeichnet.
Massiv (B): Das MOSFET-Substrat ist das Massiv. In den meisten Anwendungen ist es mit dem Source-Anschluss verbunden.

Mosfet-Typen

N-Kanal-MOSFET: Das Substrat dieser Art von MOSFET besteht aus einem n-Typ-Halbleitermaterial. Die beliebteste Art von MOSFET sind N-Kanal-MOSFETs. Sie werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in analogen Schaltkreisen, Mikroprozessoren und Leistungselektronik.
P-Kanal-MOSFET: Das Substrat dieser Art von MOSFET besteht aus p-Typ-Halbleitermaterial. Obwohl sie nicht so weit verbreitet sind wie n-Kanal-MOSFETs, werden P-Kanal-MOSFETs dennoch in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Sie werden häufig in komplementären Schaltkreisen eingesetzt, die n- und p-Kanal-MOSFETs für eine verbesserte Leistung kombinieren.
DMOSFET: Dieses Akronym steht für Double-Diffused MOSFET. Aufgrund seines Designs ist diese Art von MOSFET bei hohen Spannungen und Strömen leistungsfähiger. In Leistungselektronikanwendungen werden MOSFETs häufig eingesetzt, wenn hohe Spannungen und Ströme benötigt werden.
IGBT: Das Akronym für Insulated-Gate Bipolar Transistor ist IGBT. Diese Art von MOSFET kombiniert die hohe Strombelastbarkeit eines Bipolartransistors mit der hohen Eingangsimpedanz eines MOSFET. IGBTs werden häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt, die extrem hohe Ströme und Spannungen erfordern.

Was ist ein IGBT?

IGBT steht für Insulated Gate Bipolar Transistor. Ähnlich wie ein MOSFET handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das die hohe Strombelastbarkeit eines Bipolartransistors mit der hohen Eingangsimpedanz eines MOSFET kombiniert. Darüber hinaus verfügen IGBTs über ein Gate, einen Emitter (E) und einen Kollektor (C). Der Stromfluss wird durch das Gate geregelt, das die Leitung zwischen Emitter und Kollektor steuert.

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IGBT-Symbol und -Module

Ein IGBT oder Insulated-Gate Bipolar Transistor wird durch eine vertikale Linie dargestellt, die in der Mitte von einer horizontalen Linie geschnitten wird. Das Gate wird durch die horizontale Linie dargestellt und der Kanal durch die vertikale Linie. Der Emitteranschluss wird durch das untere Ende der vertikalen Linie dargestellt und der Kollektoranschluss durch das obere Ende.

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IGBT-Module sind Pakete, die mehrere IGBTs und die dazugehörigen Schaltkreise enthalten. IGBT-Module bieten mehrere Vorteile, darunter:

Geringere Platzanforderungen: IGBT-Module können weniger Platz auf Leiterplatten einnehmen, da sie kleiner sind als einzelne IGBTs.
Verbesserte Wärmeableitung: IGBT-Module können aufgrund ihrer besseren Wärmeableitung zuverlässiger sein als einzelne IGBTs.
Vereinfachtes Design: Da IGBT-Module vormontiert und vorab getestet sind, kann das Design von Schaltkreisen, die IGBTs verwenden, vereinfacht werden.

IGBT-Testmethoden

Zum Testen von IGBTs können verschiedene Methoden verwendet werden, darunter:

Statische Prüfung: Bei dieser Art der Prüfung werden spezielle Prüfgeräte verwendet, um IGBT-Parameter wie Schwellenspannung, Einschaltwiderstand und Ausschaltwiderstand zu messen.
Dynamische Prüfung: Dabei werden spezielle Prüfgeräte verwendet, um die IGBT-Leistung unter dynamischen Bedingungen, wie Schaltgeschwindigkeit und Leitungsverluste, zu bewerten.

Video zum Thema MOSFET vs. IGBT

Wie testet man einen Mosfet?

Trennen Sie den MOSFET aus Sicherheitsgründen von allen Schaltkreisen und Stromquellen.
Wählen Sie den Widerstands- oder Diodentestmodus auf Ihrem Multimeter.
Bestimmen Sie, welche drei MOSFET-Anschlüsse Drain (D), Source (S) und Gate (G) sind. Zur Identifizierung konsultieren Sie das Datenblatt oder die Markierungen auf dem MOSFET.
Befestigen Sie die negative (schwarze) Sonde des Multimeters am Source-Anschluss (S) und die positive (rote) Sonde am Gate-Anschluss (G).
Überprüfen Sie den Messwert auf dem Multimeter. Wenn der MOSFET vom Typ „Anreicherungsmodus“ ist, sollte das Multimeter einen sehr hohen Widerstand oder einen offenen Stromkreis anzeigen. Wenn es sich um einen MOSFET vom Typ „Verarmungsmodus“ handelt, kann das Multimeter einen niedrigen Widerstand oder einen geschlossenen Stromkreis anzeigen.
Drehen Sie die Sondenanschlüsse um, sodass sich die negative (schwarze) Sonde am Gate-Anschluss (G) und die positive (rote) Sonde am Source-Anschluss (S) befindet.
Schauen Sie sich die Multimeteranzeige noch einmal an. Ein MOSFET vom Typ „Anreicherungsmodus“ sollte weiterhin einen hohen Widerstand oder einen offenen Stromkreis anzeigen. Ein niedriger Widerstand oder ein geschlossener Stromkreis kann durch einen sich ändernden Messwert für einen Verarmungsmodus-MOSFET angezeigt werden.
Die Drain-Source-Verbindung kann dann getestet werden, wenn der MOSFET diese Tests besteht. Befestigen Sie die negative (schwarze) Sonde am Source-Anschluss (S) und die positive (rote) Sonde am Drain-Anschluss (D).
Untersuchen Sie den Messwert auf dem Multimeter. Ein gut funktionierender MOSFET sollte an der Drain-Source-Terminierung ein diodenähnliches Verhalten aufweisen. In Bezug auf die Vorwärtsvorspannung sollte er einen niedrigen Widerstand aufweisen, während die Rückwärtsvorspannung einen hohen Widerstand zeigen würde.
Ersetzen Sie die Sondenanschlüsse: positiv (rot) am Source-Anschluss (S) und negativ (schwarz) am Drain-Anschluss (D). Wiederholen Sie den Test. Ersetzen Sie den MOSFET sofort, wenn er ungewöhnliches Verhalten zeigt oder einen dieser Tests nicht besteht, um eine Fehlfunktion auszuschließen.

Denken Sie daran, dass Sie spezifische Testanweisungen und Spannungs-/Strombegrenzungen für den MOSFET, mit dem Sie arbeiten, im Datenblatt oder in den Richtlinien des Herstellers finden.

Wie funktioniert IGBT?

MOSFET ausgeschaltet: Ein MOSFET wird ausgeschaltet, wenn die Gate-Spannung niedrig ist. Dies zeigt an, dass kein Strom durch den MOSFET fließt und dass zwischen Gate und Quelle ein hoher Widerstand besteht.
MOSFET eingeschaltet: Der MOSFET wird eingeschaltet, wenn die Gate-Spannung einen bestimmten Wert erreicht. Dies zeigt an, dass Strom durch den MOSFET fließen kann und dass zwischen Gate und Quelle ein großer Widerstandsabfall besteht.
Bipolartransistor-Verstärker: Wenn der MOSFET eingeschaltet ist, können sich Ladungsträger vom Emitter zum Kollektor bewegen. Der Bipolartransistor kann dann dank des Flusses dieser Ladungsträger durch ihn höhere Spannungen und Ströme verarbeiten, was den Strom verstärkt.

Anwendungen von Mosfets

Mosfets werden aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz, schnellen Schaltgeschwindigkeiten und geringen Leistungsaufnahme häufig in verschiedenen elektronischen Schaltkreisen und Anwendungen eingesetzt. Einige spezifische Anwendungen von Mosfets umfassen:

Schaltnetzteile (SMPS): Als Schlüsselkomponente von SMPS steuern MOSFETs die Spannungspegel einer breiten Palette elektronischer Geräte.
Digitale Schaltkreise: Logikgatter und andere wichtige Teile digitaler Schaltkreise werden durch Transistoren ermöglicht, die das Rückgrat dieser Schaltkreise bilden.
Audioverstärker: Mosfets werden aufgrund ihrer geringen Verzerrung und Linearität in Audioverstärkern verwendet.
HF-Schaltkreise (Radiofrequenz): Aufgrund ihres geringen Rauschens und ihrer Hochfrequenzreaktion werden MOSFETs in HF-Schaltkreisen verwendet.
Airsoft-MOSFETs: Um Effektivität und Leistung zu steigern, werden in Airsoft-Waffen Transistoren eingesetzt.
MOSFET-Verstärker: Zu den vielen Verstärkerschaltungen, die MOSFETs einsetzen, gehören Leistungs-, HF- und Audioverstärkerschaltungen.

Wo werden IGBTs verwendet?

IGBTs werden aufgrund ihrer überlegenen Leistungsmerkmale häufig in verschiedenen Branchen eingesetzt. Zu den spezifischen Anwendungen von IGBTs gehören:

Elektrofahrzeuge (EVs): IGBTs regeln die Stromversorgung der Elektromotoren und sind daher wichtige Teile des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen.
Systeme für erneuerbare Energien: IGBTs wandeln in Solarwechselrichtern und Windturbinen Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um.
Motorantriebe: IGBTs werden in Motorantrieben eingesetzt, um das Drehmoment und die Drehzahl von Motoren in einer Vielzahl von Anwendungen zu regeln, darunter Robotik, Industriemaschinen und Haushaltsgeräte.
Induktionserwärmung: Um hochfrequente Ströme für Heizzwecke zu erzeugen, verwenden Induktionsheizsysteme IGBTs.
Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV): IGBTs werden in USV-Systemen verwendet, die dazu ausgelegt sind, im Falle eines Stromausfalls Notstrom zu liefern.

Was ist besser, IGBT oder Mosfet?

Spannungs- und Stromstärken:

MOSFETs: Normalerweise bis zu einigen hundert Volt und Ampere, sind diese Geräte für Anwendungen geeignet, die geringere Spannung und Stromstärke erfordern.
IGBTs: Geeignet für Hochleistungsanwendungen, können sie höhere Spannungen und Ströme verarbeiten, normalerweise bis zu mehreren tausend Volt und Ampere.

Schaltgeschwindigkeit:

MOSFETs: Aufgrund ihrer spannungsgesteuerten Stromregelung haben sie schnellere Schaltgeschwindigkeiten.
IGBTs: Aufgrund ihres kombinierten Spannungs- und Stromregelungsmechanismus weisen sie etwas langsamere Schaltgeschwindigkeiten auf.

Leitungsverluste:

MOSFETs: Bei niedrigeren Spannungen und Strömen weisen sie typischerweise höhere Leitungsverluste auf.
IGBTs: Aufgrund ihres geringeren Einschaltwiderstands weisen sie geringere Leitungsverluste bei höheren Spannungen und Strömen auf.

Thermische Überlegungen:

Sowohl MOSFETs als auch IGBTs: Erzeugen während des Betriebs Wärme und erfordern ein entsprechendes Wärmemanagement, wie Kühlkörper oder Kühlmechanismen.

Anwendungseignung:

MOSFETs: Perfekt für Anwendungen, die niedrigere Spannungs- und Stromstärken, geringe Leitungsverluste und schnelle Schaltgeschwindigkeiten erfordern.
IGBTs: Auch auf Kosten etwas langsamerer Schaltgeschwindigkeiten sind diese Geräte für Hochleistungsanwendungen geeignet, die höhere Spannungs- und Strombelastbarkeit erfordern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass IGBTs in Hochleistungsanwendungen, die höhere Spannungs- und Strombelastbarkeit erfordern, eine bessere Leistung erbringen, während MOSFETs für Anwendungen bevorzugt werden, bei denen schnelle Schaltgeschwindigkeiten und geringere Leistungsbelastbarkeit im Vordergrund stehen. Letztendlich basiert die Entscheidung auf den Anforderungen der jeweiligen Anwendung und den Kompromissen zwischen Leistungsfaktoren.

Fazit

MOSFETs und IGBTs sind zwei wichtige Leistungshalbleiter, die den Bereich der Leistungselektronik verändert haben. IGBTs bieten eine außergewöhnlich gute Leistung bei Anwendungen mit hoher Spannung und Stromstärke, während MOSFETs Vorteile wie geringe Leitungsverluste und schnelle Schaltgeschwindigkeiten bieten. Um die bestmögliche Leistung und Effizienz zu erzielen, muss man die Unterschiede kennen und den richtigen Halbleiter für eine bestimmte Anwendung auswählen.