MOSFET e IGBT a confronto: il futuro del controllo dell'azionamento dei motori
I dispositivi elettromeccanici quali interruttori, solenoidi, encoder, generatori e motori elettrici sono fondamentali perché fanno da tramite tra il mondo digitale e quello fisico. Ciò che li rende speciali è la loro capacità di convertire i segnali elettrici in azioni meccaniche.
Con il progredire di settori come la produzione automatizzata, i veicoli elettronici, i sistemi di costruzione avanzati e gli elettrodomestici intelligenti, cresce anche la domanda relativa al controllo, all'efficienza e alle capacità dei dispositivi elettromeccanici. Questo articolo analizza come i progressi dei MOSFET in carburo di silicio (MOSFET SiC) stiano ridefinendo le capacità dei motori elettrici, che in precedenza utilizzavano gli IGBT in silicio (IGBT Si) per l'inversione di potenza. Questa innovazione amplia le capacità delle applicazioni di azionamento dei motori in quasi tutti i settori.
Che cosa sono IGBT Si e MOSFET SiC?
IGBT Si sta per transistor bipolare a porta isolata in silicio. MOSFET SiC sta per transistor a effetto di campo con struttura metallo-ossido-semiconduttore in carburo di silicio.
Gli IGBT Si sono dispositivi controllati in corrente che vengono commutati da una corrente applicata alla porta del transistor, mentre i MOSFET sono dispositivi controllati in tensione da una tensione applicata alla porta.
La differenza principale tra IGBT Si e MOSFET SiC è il tipo di corrente che possono gestire. In generale, i MOSFET sono più adatti alle applicazioni di commutazione ad alta frequenza, mentre gli IGBT sono più adatti alle applicazioni ad alta potenza.
Importanza degli IGBT Si e dei MOSFET SiC nelle applicazioni di azionamento dei motori
I motori elettrici sono ovunque nella tecnologia moderna e spesso utilizzano sistemi di batterie come fonte di alimentazione. Ad esempio, i veicoli elettrici utilizzano enormi sistemi di batterie che forniscono corrente continua al veicolo, creando così un movimento fisico attraverso motori elettrici in corrente alternata. Il controllo assoluto di questi motori CA è fondamentale per le prestazioni e l'efficienza del veicolo, oltre che per la sicurezza degli occupanti. Tuttavia, questo sistema di propulsione si affida agli inverter per convertire la corrente CC della batteria in un segnale CA che i motori possano utilizzare per creare il movimento.
Questi inverter controllano con precisione la velocità, la coppia, la potenza e l'efficienza del motore e consentono la frenata rigenerativa. Per il sistema di propulsione, quindi, l'inverter è prezioso quanto il motore. Come tutti i dispositivi usati per applicazioni di potenza, gli inverter possono variare notevolmente in termini di capacità e requisiti di progettazione e sono fondamentali per le prestazioni complessive dei sistemi da alimentazione CC a motore CA.
Nelle moderne applicazioni di azionamento dei motori da CC a CA vengono utilizzati due tipi di inverter: gli IGBT in silicio e i MOSFET in carburo di silicio. Gli IGBT Si sono i più comunemente utilizzati, ma la popolarità dei MOSFET SiC è aumentata notevolmente grazie ai numerosi vantaggi in termini di prestazioni e alla progressiva diminuzione dei costi. Quando i MOSFET SiC sono arrivati sul mercato, avevano un costo proibitivo per la maggior parte delle applicazioni di azionamento dei motori. Tuttavia, con la crescente diffusione di questa tecnologia superiore, la produzione su larga scala ha ridotto notevolmente il costo dei MOSFET SiC.
Vantaggi e svantaggi degli IGBT Si rispetto ai MOSFET SiC
Tradizionalmente, gli IGBT Si vengono impiegati nelle applicazioni di azionamento dei motori da CC a CA grazie all'ottima capacità di gestione della corrente, alla velocità di commutazione elevata e al costo ridotto. Soprattutto, gli IGBT Si hanno una tensione nominale elevata con una bassa caduta di tensione, basse dispersioni termiche per conduzione e impedenza termica ridotta; questo li rende una scelta ovvia per le applicazioni di azionamento di motori ad alta potenza, ad esempio nei sistemi di produzione. Tuttavia, un notevole inconveniente per gli IGBT Si è che sono altamente suscettibili al runaway termico. Questo si verifica quando la temperatura del dispositivo aumenta in modo incontrollato, causandone il malfunzionamento e, infine, il guasto. Nelle applicazioni di azionamento dei motori, in cui troviamo normalmente condizioni operative, di corrente e di tensione elevate, come i veicoli elettrici o l'industria manifatturiera, il runaway termico può rappresentare un rischio di progettazione importante.
Come soluzione a questa sfida progettuale, i MOSFET SiC sono più resistenti al runaway termico. Il carburo di silicio è più conduttivo dal punto di vista termico e consente una migliore dissipazione del calore a livello di dispositivo e temperature d'esercizio stabili. I MOSFET SiC sono più adatti alle condizioni ambientali più calde, come le applicazioni automobilistiche e industriali. Inoltre, vista la loro conduttività termica, i MOSFET SiC possono eliminare la necessità di sistemi di raffreddamento aggiuntivi, riducendo così le dimensioni complessive e il costo del sistema.
Poiché i MOSFET SiC funzionano a frequenze di commutazione molto più elevate rispetto agli IGBT Si, sono ideali per le applicazioni che richiedono grande precisione nel controllo dei motori. Le frequenze di commutazione elevate sono fondamentali nella produzione automatizzata, dove vengono utilizzati servomotori ad alta precisione per il controllo del braccio dell'utensile e per il posizionamento degli oggetti e la saldatura di precisione.
Inoltre, un notevole vantaggio dei MOSFET SiC rispetto ai sistemi di driver per motori IGBT SiC è la possibilità di incorporarli nei gruppi motore, con un controller e un inverter incorporati nello stesso alloggiamento del motore.
Spostando il gruppo driver per motore nella stessa posizione in cui si trova il motore, è possibile ridurre notevolmente il cablaggio tra gli inverter e il driver per motore e realizzare forti risparmi. Nell'esempio dell'immagine B, un armadio elettrico IGBT Si tradizionale può richiedere 21 cavi unici per alimentare i sette motori (etichetta "M") del braccio robotico; questo può significare un'infrastruttura di cablaggio di centinaia di metri, costosa e complessa. Con un sistema di azionamenti motore MOSFET SiC, il cablaggio può essere ridotto a due lunghi cavi che si collegano a ciascuno degli azionamenti motore all'interno del gruppo motore locale.
Immagine 2: Confronto tra IGBT in silicio e MOSFET in carburo di silicio per il controllo del sistema di un braccio robotico.
Svantaggi dei MOSFET SiC rispetto agli IGBT Si
I MOSFET SiC presentano tuttavia degli svantaggi rispetto agli IGBT Si. Innanzitutto, i MOSFET SiC sono tuttora più costosi degli IGBT Si e questo li rende potenzialmente meno adatti ad applicazioni in cui i costi sono un fattore importante. Anche se i MOSFET SiC sono di per sé più costosi, in alcune applicazioni si può arrivare a una riduzione del costo complessivo del sistema di driver per motore grazie, ad esempio, al minor numero di componenti passivi e alla semplificazione del cablaggio e della gestione termica. In questo modo possono risultare complessivamente più economici rispetto a un sistema IGBT Si. Questo risparmio può richiedere una progettazione complessa e un'analisi dello studio dei costi tra i due sistemi, ma può portare a una maggiore efficienza e a un forte risparmio sui costi.
Un altro svantaggio dei MOSFET SiC è che possono presentare requisiti di azionamento della porta più complessi ed essere quindi meno adatti degli IGBT in applicazioni in cui altri componenti del sistema possono limitare le risorse di azionamento della porta.
Tecnologia degli inverter migliorata con i MOSFET in carburo di silicio
I MOSFET in carburo di silicio hanno migliorato notevolmente la tecnologia degli inverter per i sistemi di azionamento dei motori. Come per tutti i tipi di componenti, esistono applicazioni specifiche per cui gli IGBT possono essere più adatti. Tuttavia, gli inverter a MOSFET SiC offrono dei vantaggi netti rispetto agli IGBT Si. Questo li rende una soluzione particolarmente interessante per le applicazioni di azionamento dei motori e per un'ampia gamma di altre applicazioni.
Scopri un assortimento di MOSFET e IGBT di produttori leader del settore su Arrow.com. Scopri i transistor IGBT e MOSFET più diffusi e più venduti qui di seguito.
Visualizza prodotti correlati
Visualizza prodotti correlati
