Có 2 lựa chọn phần tử chuyển mạch công suất để điều khiển động cơ là sử dụng MOSFET và IGBT. Tranzitor lưỡng cực được sử dụng là biết bị chọn để điều khiển động cơ do khả năng chịu đựng được dòng điện cao và điện áp cao. Nhưng bây giờ người ta không dùng loại này nữa. MOSFET và IGBT được thanh thế cho các ứng dụng quan trọng. Cả MOSFET và IGBT đều là các thiết bị được điều khiển điện áp ngược với tranzitor lưỡng cực là thiết bị được điều khiển bằng dòng điện. Điều đó có nghĩa là để bật và tắt thiết bị cần điều khiển bằng điện áp cấp thay vì dùng dòng điện. Điều này giúp cho việc điều khiển thiết bị trở nên dễ dàng hơn.
Điểm giống nhau giữa MOSFET và IGBT là điều khiển đóng cắt thiết bị bằng cách điều khiển điện áp ở chân gate. Điểm khác nhau cơ bản, chính của 2 loại này là MOSFET có kênh trở (resistive channel) là Drain tới Source trong khi đó tiếp giáp PN từ Collector đến Emitor đối với IGBT. Điều này dẫn tới việc tính toán công suất tiếp phát tán là khác nhau với mỗi loại.
Bảng 2. So sánh công suất hao tán trên mỗi loại
MOSFET
PLOSS=Irms2*RDS-ON Trong đó:
RDS-ON: điện trở kênh D-S. Irms: dòng điện rms ở D-S.
IGBT
PLOSS=Iave*VCE-SAT Trong đó:
VCE-SAT: điện áp bão hòa C-E. Iave: dòng điện trung bình C-E.
Sự khác nhau chủ yếu của 2 loại MOSFET và IGBT được thể hiện hết trong 2 phương trình trên. Đối với MOSFET thì công suất tiêu tán tỉ lệ với bình phương dòng điện. Chính điều này yêu cầu RDS-ON nhỏ để khi dòng điện tăng giữ cho công suất tiêu tán bằng với IGBT. Trong những ứng dụng mà điện áp thấp, thì RDS-ON có giá trị hàng chục mili-Ohm. Khi điện áp cao hơn (250V và cao hơn) thì RDS-ON của MOSFET lớn hơn. Một điểm khác nhau quan trọng nữa là khi đánh giá sự tiêu tán thì nhiệt độ phụ thuộc vào RDS-ON đối với MOSFET ngược lại đối với IGBT là VCE-SAT. Khi nhiệt độ tăng thì RDS-ON của
MOSFET cũng tăng trong khi đó thì VCE-SAT của IGBT giảm (trừ khi ở dòng điện lớn). Điều này có nghĩa là có sự tăng công suất hao tán đối với MOSFET và giảm công suất hao tán với IGBT.
Với phân tích ở trên dường như IGBT tốt hơn MOSFET nếu các ứng dụng ở điện áp cao nhưng chúng ta cần phải xem xét tới các yếu tố khác ảnh hưởng đến việc giảm công suất. Đó chính là sự mất mát do chuyển mạch. Mất mát do chuyển mạch xảy ra khi thiết bị được đóng và mở với dòng điện biến đổi lên hoặc xuống (răng cưa) ở D-S (đối với MOSFET) và C-E (đối với IGBT).
IGBT là thiết bị chuyển mạch chậm hơn MOSFET và do đó sự mất mát do chuyển mạch sẽ cao hơn. Một điểm quan trọng cần chú ý là công nghệ IGBT được phát triển cách đây 10 năm, nhiều thay đổi đã nâng cao chất lượng IGBT và có nhiều ứng dụng khác nhau. Nhiều công ty đã có nhiều hướng đi khác nhau cho IGBT. Một số loại được tối ưu cho các ứng dụng cần tốc độ thấp, điện áp VCE-SAT thấp, trong khi các loại khác được tối ưu cho các ứng dụng tốc độ cao hơn (60 kHz tới 150 kHz) mất mát chuyển mạch thấp hơn, nhưng điện áp VCE- SAT cao hơn. Điều này cũng đúng cho các loại MOSFET. Trải qua 5 năm, nhiều tiến bộ đã được áp dụng cho công nghệ MOSFET với việc tăng tốc độ và giảm RDS-ON. Khi so sánh giữa IGBT và MOSFET trong một ứng dụng cần đảm bảo thiết bị được so sánh là phù hợp tốt nhất với ứng dụng.
Tổng kết một số thảo luận thì một cách tổng quát ta đưa ra biên giới hoạt động cho mỗi loại như sau:
• Với ứng dụng điện áp thấp hơn 250V, MOSFET là thiết bị được chọn lựa.
Bạn có thể search các nhà cung cấp IGBT thì bạn sẽ nhận thấy rằng lựa chọn IGBT mà có điện áp định mức dưới 600V là rất ít.
• Với các ứng dụng điện áp lớn hơn 1000V thì IGBT là thiết bị được nhắc
tới. Khi điện áp định mức của MOSFET tăng lên, điều này dẫn tới điện trở RDS-ON và kích thước của MOSFET cũng tăng theo. Trên 1000V, RDS- ON của MOSFET không thể so sánh với lớp chuyển tiếp đã bão hòa của IGBT.
• Khoảng giữa 250V và 1000V thì bài toán trở thành lựa chọn một thiết bị
đạt được yêu cầu đề ra ngoài ra còn phải đảm bảo vấn đề tần số chuyển mạch, công suất hao tán và giá của thiết bị.
Khi đánh giá MOSFET với IGBT trong cùng một ứng dụng thì cần thiết phải đảm bảo rằng nhìn được chất lượng của mỗi loại trên diện rộng. Như đã
thảo luận trước, MOSFET cần quan tâm tới việc mất mát do trở gây ra (tăng cùng với sự tăng nhiệt độ) trong khi đó IGBT là sự mất mát do chuyển mạch.
Chỉ dẫn khác hữu ích cho việc thiết kế là:
• Điện áp của thiết bị thấp hơn 80% giá trị định mức của nó. Ví như một
MOSFET loại 500V thì có thể dùng được với điện áp 400V. Bất kỳ sự dao động trong điện áp D-S ở một ứng dụng nên được tính đến.
• Nhiệt độ lớp chuyển tiếp lớn nhất của thiết bị không nên vượt quá 120o
với tải lớn nhất. Điều này sẽ tránh độ không ổn định nhiệt. Một vài loại bảo vệ quá nhiệt cũng nên được xem xét.
• Dòng định mức với phần tử chuyển mạch phải chịu được dòng ngắn mạch
và dòng khởi động. Dòng khởi động định mức của động cơ bằng từ ba đến sáu lần dòng hoạt động ở chế độ ổn định.
Với những phân tích như ở trên thì MOSFET được sử dụng là lựa chọn đúng đắn nhất cho ứng dụng đang được đề cập. Và MOSFET được chọn cho thiết kế này là IRFR2407.
Hình 26. Ký hiệu MOSFET và một vài tính năng