Với sự gia tăng của các nguồn năng lượng mới trong những năm gần đây, nhu cầu thị trường đối với MOSFET và IGBT đang tăng mạnh. Chúng thường được sử dụng làm thiết bị chuyển mạch và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết về MOSFET và IGBT, so sánh chúng qua các khía cạnh quan trọng và đưa ra các gợi ý giúp người dùng chọn loại transistor phù hợp nhất với ứng dụng của mình.

1. Giới thiệu về MOSFET và IGBT

a.   MOSFET

MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) là một loại transistor hiệu ứng trường đặc biệt được sử dụng phổ biến trong các mạch tích hợp quy mô rất lớn nhờ vào cấu trúc phức tạp và trở kháng đầu vào cao. Đây là thiết bị bán dẫn bốn cực điều khiển tín hiệu analog và tín hiệu kỹ thuật số. Cực cổng nằm giữa cực nguồn và cực máng, cách nhiệt bởi một lớp oxit kim loại mỏng ngăn dòng điện giữa chúng. Tất cả các loại thiết bị bán dẫn hiện sử dụng công nghệ này để khuếch đại tín hiệu yếu. MOSFET được sử dụng trong các bo mạch điện tử, mạch nguồn máy tính và chíp xử lý. Ngoài ra, linh kiện này còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, bóng bán dẫn, điện tử ô tô và IGBT.

b.   IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là một thiết bị bán dẫn ba cực kết hợp khả năng mang dòng điện của transistor lưỡng cực với khả năng dễ điều khiển của MOSFET. Nó là một thiết bị tương đối mới trong lĩnh vực điện tử công suất, thường được sử dụng như một công tắc điện tử trong nhiều ứng dụng, từ các ứng dụng công suất trung bình đến siêu cao như nguồn điện ở chế độ chuyển mạch (SMPS). Cấu trúc của nó gần giống với cấu trúc của MOSFET ngoại trừ việc bổ sung chất nền p bên dưới chất nền n. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu mức tải lớn của một transistor thông thường. Nhờ ưu điểm này IGBT được dùng để thay thế các thiết bị chuyển mạch điện tử như BJT.

IGBT được điều khiển bằng điện áp nên công suất điều khiển yêu cầu khá nhỏ. Thiết bị này được ứng dụng rất nhiều trong thực tế. Nhiều thiết bị như máy hàn điện tử, máy biến tần, và bếp từ sử dụng sản phẩm này phổ biến.

2. Sự khác biệt giữa MOSFET và IGBT

Mặc dù MOSFET và IGBT có nhiều đặc điểm giống nhau, nhưng chúng cũng có nhiều điểm khác biệt. Bảng so sánh dưới đây tổng hợp sự khác nhau giữa IGBT và MOSFET để dễ dàng phân biệt hai linh kiện này:

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

‍

3. Khi nào nên lựa chọn MOSFET? Khi nào nên lưa chọn IGBT?

Để lựa chọn giữa MOSFET và IGBT, ngoài các thông số kỹ thuật như điện áp và tần số chuyển mạch, người sử dụng cần cân nhắc thêm các yếu tố thực tế như chi phí hệ thống, độ tin cậy, khả năng tản nhiệt và môi trường ứng dụng.

Nhìn chung, MOSFET có đặc tính tần số cao tốt. Tần số hoạt động của nó có thể đạt tới hàng trăm kHz hoặc thậm chí là MHz. Nhược điểm là điện trở trạng thái bật lớn và mức tiêu thụ điện năng lớn trong các tình huống điện áp cao, 100KHZ gần như là giới hạn hoạt động tốt nhất của IGBT, trong khi IGBT có hiệu suất tuyệt vời trong các trường hợp tần số thấp và công suất cao. Điện trở bật nhỏ và điện áp chịu đựng cao. Đặc biệt, MOSFET có lợi thế lớn trong các ứng dụng yêu cầu phản hồi nhanh, chẳng hạn như mạch khuếch đại âm thanh lớp D, hoặc các hệ thống điều khiển chính xác. Tuy nhiên, khi điện áp hoạt động tăng lên trên 400V hoặc dòng tải lớn, việc sử dụng MOSFET trở nên kém hiệu quả do tổn thất năng lượng gia tăng đáng kể, khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng công suất lớn hoặc môi trường nhiệt độ cao.

Vì vậy, trong những trường hợp này, IGBT là lựa chọn tốt hơn cho biến tần công nghiệp, hệ thống năng lượng tái tạo và thiết bị lưu trữ. IGBT có khả năng chịu tải dòng lớn và điện áp bão hòa thấp. Nó hoạt động hiệu quả hơn ở các mức điện áp cao, giúp giảm tổn thất năng lượng trong các hệ thống công suất lớn. Ngoài ra, IGBT được thiết kế bền bỉ để chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt, nơi cần độ tin cậy cao và khả năng tản nhiệt tốt.

Tuy nhiên, IGBT lại không hoạt động hiệu quả bằng MOSFET trong các ứng dụng yêu cầu tần số chuyển mạch cao hoặc điện áp thấp. Trong một số trường hợp cụ thể, hệ thống có thể kết hợp cả MOSFET và IGBT để khai thác tối đa ưu điểm của từng loại. Chẳng hạn, sử dụng MOSFET cho các giai đoạn tần số cao và IGBT cho các giai đoạn công suất lớn. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí.

4. Ứng dụng của IGBT và MOSFET

MOSFET thường được sử dụng rộng rãi để chuyển mạch và khuếch đại tín hiệu điện tử trong các thiết bị điện tử, điển hình cho các ứng dụng có độ nhiễu cao. MOSFET được ứng dụng nhiều nhất trong các bộ nguồn ở chế độ chuyển đổi, ngoài ra nó có thể được sử dụng trong các bộ khuếch đại class D. Đây là transistor hiệu ứng trường phổ biến nhất và có thể được sử dụng trong cả mạch analog và kỹ thuật số. Mặt khác, IGBT được sử dụng trong các ứng dụng công suất trung bình đến cực cao như cung cấp điện chế độ chuyển đổi, sưởi ấm cảm ứng và điều khiển động cơ kéo. Nó được sử dụng như một linh kiện quan trọng trong các thiết bị hiện đại như ô tô điện, chấn lưu đèn và VFD (biến tần).

Kết luận

Cả MOSFET và IGBT đều là những thành phần quan trọng trong thiết kế mạch điện tử công suất, nhưng mỗi loại có các ưu điểm và hạn chế riêng. Bài viết trên đã so sánh những đặc điểm giống và khác nhau giữa IGBT và MOSFET nhằm giúp người dùng biết cách lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu của điện áp cũng như dòng điện nguồn.

‍