V pokročilejších zapojeních s pracovními kmitočty nad 10 kHz se však stále častěji používají tranzistory MOSFET (unipolární tranzistor s izolovaným hradlem) nebo IGBT (bipolární tranzistor s izolovaným hradlem). Používání těchto prvků je možné díky velmi rychlému rozvoji technologie, který trvá od 80. let XX. století. Tranzistory MOSFET a IGBT jsou řízeny napětím, což znamená, že vyžadují průtok proudu v obvodu hradla pouze při přepínání (nabíjení / vybíjení vstupní kapacity). Nejčastěji mohou ovládat proudy několika desítek, či dokonce stovek A, blokovat napětí překračující 1 kV a být spínány kmitočtem stovek kHz. Přes tyto podobnosti se ale tranzistory MOSFET a IGBT velmi odlišují. Znalost těchto rozdílů pak v dané konstrukci velmi zjednodušuje správný výběr typu součástky. Nejvíce příznačné vlastnosti popisovaných struktur zmíníme v dalším textu.
MOSFETy
- V určitém rozmezí mají kladný teplotní koeficient, což znamená, že více zatížený (zahřátý) tranzistor sám omezuje proud. To má zvlášť velký význam při paralelním spojování mnoha součástek.
- Odpor kanálu („otevřeného“ tranzistoru) může být při použití vhodné výrobní technologie teoreticky libovolně snižován. To umožňuje snížit výkonové ztráty v sepnutém stavu.
- Z důvodu své konstrukce obsahují tranzistory MOSFET interní diodu, která je zapojena paralelně k tranzistoru. V řadě případů je existence této parazitní součástky užitečná, protože může spolupracovat s doplňkovou, vnější antiparalelní diodou, od které přebírá část zátěže a která tak může být menší.
- U tranzistorů MOSFET nenastává jev „doznívání proudu“, což v praxi znamená, že je lze velmi rychle vypínat. Projeví se to snížením spínacích / vypínacích výkonových ztrát.
- Kanál tranzistoru má odporový charakter, což znamená, že úbytek napětí na něm je úměrný protékajícímu proudu (což je ve většině případů nevýhodné).
Obr. 1: Tranzistor MOSFET IRFR825PBF
IGBT
Jsou spojením unipolárního tranzistoru (vstup) a bipolárního tranzistoru (výstup), což přináší řadu důsledků:
- některé typy mají záporný teplotní koeficient, což komplikuje jejich paralelní spojování,
- při vypínání se vyskytuje jev „doznívání proudu“ (proud kolektoru zaniká pomalu),
- neobsahují vnitřní antiparalelní diodu (pokud ji tam výrobce úmyslně neimplementoval),
- mohou spínat značné proudy,
- mohou pracovat při velkých napětích,
- lze je uvést do stavu nasycení, což znamená, že velikost proudu kolektoru má pouze malý vliv na úbytek napětí na součástce v sepnutém stavu.
Obr. 2: Tranzistor IGBT IRGP4063DPBF
Jak tedy vybírat nejvhodnější součástku? Prvními kritérii výběru budou nejčastěji pracovní kmitočet a napětí. Můžeme použít následující graf (uváděný, s nepodstatnými změnami, mnoha výrobci):
Jak vidíme výše, tranzistory IGBT si nejlépe poradí s napětím překračujícím 1 000 V a kmitočty do 20-30 kHz. Tyto součástky lze navíc doporučit do aplikací v obvodech
- pracujících s malou střídou a
- velkého výkonu (zhruba nad 5 kW).
Součástky IGBT tak můžeme často potkat v budičích motorů, svařovacích zařízeních nebo záložních napájecích zdrojích typu UPS.
Tranzistory MOSFET se lépe osvědčují při kmitočtech nad 200 kHz a při napětích nepřevyšujících 200-250 V. V jejich prospěch mohou dále svědčit
- práce se signály s velkou střídou a
- práce v obvodech s menším výkonem (řekněme do 600 W).
Tranzistory MOSFET se proto často používají v nabíječkách akumulátorů, spínaných zdrojích (SMPS) nebo nf zesilovačích třídy D.
V oblasti označené třemi otazníky je pak obtížné jednoznačně říci, která součástka bude lepší. Rozdíly ve výkonových ztrátách mohou být v tomto případě sotva v jednotkách procent. Zde je potřeba sáhnout po detailních údajích tranzistorů, které výrobci umisťují do technické dokumentace, a provést patřičné výpočty se zohledněním parametrů cílového obvodu. Je třeba rovněž poznamenat, že se technologie IGBT velmi rychle zdokonaluje a jsou již dostupné tranzistory tohoto typu, které mohou pracovat při kmitočtech překračujících 100 kHz (až 300 kHz v rezonančních obvodech).
Firma Transfer Multisort Elektronik nabízí velmi široký výběr tranzistorů a modulů IGBT a MOSFET. Sortiment TME zahrnuje součástky s přípustným napětím v rozsahu od 12 V až do 1 700 V a schopností spínat proudy převyšující i 500 A. Dodavateli jednotlivých prvků jsou známé a v celém světě vážené firmy, jako např. International Rectifier, IXYS, Fairchild Semiconductor, ST, Semikron, Toshiba, ON Semiconductor a mnoho dalších.
