ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เรามักพบหลอด MOS และหลอด IGBT ทั้งสองชนิดสามารถใช้เป็นองค์ประกอบสวิตช์ได้ ลักษณะและพารามิเตอร์เฉพาะของหลอด MOS และหลอด IGBT ก็ค่อนข้างคล้ายคลึงกัน แล้วทำไมบางวงจรจึงใช้หลอด MOS และบางวงจรจึงใช้หลอด IGBT?  
เรามาดูความแตกต่างระหว่างหลอด MOS และหลอด IGBT กันดีกว่า!  
                 

MOS tube คืออะไร

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามมีสองประเภทหลัก ได้แก่ ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามไฟฟ้าทางแยก (JFET) และทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามไฟฟ้าแบบหุ้มฉนวน (หลอด MOS)  
MOS tube คือ MOSFET ซึ่งชื่อภาษาจีนเต็มๆ คือ metal-oxide semiconductor field effect transistor (ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะออกไซด์) เนื่องจากเกตของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กชนิดนี้ถูกแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวน จึงเรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบเกตฉนวน (insulated gate field effect transistor)  
   
MOSFET สามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ประเภท ได้แก่ ประเภท N-channel depletion และ enhancement; ประเภท P-channel depletion และ enhancement  
    ชนิดและสัญลักษณ์ของวงจร MOSFET  
MOSFET บางตัวมีไดโอดอยู่ภายใน ซึ่งอาจเป็นไดโอดตัวถัง ไดโอดปรสิต หรือไดโอดฟรีวีลลิ่ง  
  มีสองคำอธิบายสำหรับบทบาทของไดโอดปรสิต:  

• ไดโอดปรสิตของ MOSFET ใช้เพื่อป้องกันไม่ให้หลอด MOS ไหม้เมื่อเกิดแรงดันไฟเกิน VDD เนื่องจากก่อนที่แรงดันไฟเกินจะทำให้หลอด MOS เสียหาย ไดโอดจะเกิดการแตกตัวย้อนกลับก่อนและนำกระแสไฟฟ้าปริมาณมากไปยังกราวด์ จึงช่วยป้องกันไม่ให้หลอด MOS ไหม้ได้
• อุปกรณ์นี้ช่วยป้องกันไม่ให้หลอด MOS ไหม้เมื่อต่อขั้วซอร์สและเดรนของหลอด MOS สลับกัน นอกจากนี้ยังสามารถเป็นเส้นทางสำหรับแรงดันเหนี่ยวนำย้อนกลับเมื่อวงจรมีแรงดันเหนี่ยวนำย้อนกลับ เพื่อป้องกันไม่ให้แรงดันเหนี่ยวนำย้อนกลับทำให้หลอด MOS เสียหายได้

MOSFET มีคุณสมบัติเด่นหลายประการ เช่น ความต้านทานอินพุตสูง ความเร็วในการสวิตช์สูง เสถียรภาพทางความร้อนดี กระแสควบคุมด้วยแรงดัน ฯลฯ ในวงจรสามารถใช้เป็นตัวขยายสัญญาณ สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ ฯลฯ ได้  
                 

IGBT คืออะไร

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำแบบผสมที่ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์และท่อ MOS    
IGBT เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติเด่น ได้แก่ ความต้านทานอินพุตสูง การใช้พลังงานในการควบคุมแรงดันต่ำ วงจรควบคุมง่าย ทนต่อแรงดันสูง และทนต่อกระแสสูง จึงมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ  
   
สัญลักษณ์วงจรของ IGBT ยังไม่มีมาตรฐานเดียวกัน เมื่อวาดแผนผังวงจร มักจะยืมสัญลักษณ์ของหลอดไตรโอดและหลอด MOS มาใช้ ในกรณีนี้ คุณสามารถระบุได้ว่าเป็น IGBT หรือหลอด MOS จากแบบจำลองที่ระบุไว้ในแผนผังวงจร  
ในขณะเดียวกัน คุณควรสังเกตด้วยว่า IGBT มีไดโอดภายในตัวหรือไม่ หากไม่มีระบุไว้ในภาพ ก็ไม่ได้หมายความว่าไม่มีอยู่จริง เว้นแต่ข้อมูลอย่างเป็นทางการจะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ไดโอดนี้จะมีอยู่แน่นอน  
   
ไดโอดภายในตัว IGBT ไม่ใช่ไดโอดปรสิต แต่ถูกสร้างขึ้นเป็นพิเศษเพื่อป้องกันแรงดันย้อนกลับที่เปราะบางของ IGBT เรียกอีกอย่างว่า FWD (freewheeling diode)  
การตรวจสอบว่ามีไดโอดภายในตัว IGBT หรือไม่นั้นไม่ใช่เรื่องยาก คุณสามารถใช้มัลติมิเตอร์วัดค่าความต้านทานที่ขั้ว C และ E ของ IGBT ได้ หาก IGBT อยู่ในสภาพดีและค่าความต้านทานที่วัดได้ที่ขั้ว C และ E เป็นอนันต์ แสดงว่า IGBT นั้นไม่มีไดโอดภายในตัว  
IGBT เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในด้านต่างๆ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ตัวแปลงความถี่ แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง วงจรไฟส่องสว่าง ระบบขับเคลื่อนทางราง เป็นต้น  
                 

ลักษณะโครงสร้างของหลอด MOS และ IGBT

โครงสร้างภายในของท่อ MOS และท่อ IGBT แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง  
   
IGBT ถูกสร้างขึ้นโดยการเพิ่มชั้นเพิ่มเติมเข้าไปที่ขั้วเดรนของ MOSFET  
วงจรสมมูลในอุดมคติของ IGBT แสดงอยู่ในรูปด้านล่าง IGBT เป็นการรวมกันของ MOSFET และทรานซิสเตอร์ MOSFET มีข้อเสียคือมีความต้านทานขณะเปิดสูง แต่ IGBT สามารถเอาชนะข้อเสียนี้ได้ IGBT ยังคงมีความต้านทานขณะเปิดต่ำแม้ในแรงดันไฟฟ้าสูง    
นอกจากนี้ สำหรับ IGBT และ MOSFET ที่มีกำลังไฟฟ้าใกล้เคียงกัน ความเร็วของ IGBT อาจช้ากว่า MOSFET เนื่องจาก IGBT มีเวลาหน่วงหลังปิด (turn-off tail time) ที่ยาวนาน ส่งผลให้เวลาหยุดทำงาน (dead time) ยาวขึ้นด้วย ซึ่งจะส่งผลต่อความถี่ในการสวิตช์  
                 

เลือกใช้หลอด MOS หรือ IGBT

ในวงจรไฟฟ้า การเลือกใช้หลอด MOS หรือหลอด IGBT เป็นหลอดสวิตช์กำลังนั้นเป็นคำถามที่วิศวกรพบเจออยู่บ่อยครั้ง หากพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น แรงดัน กระแส และกำลังสวิตช์ของระบบแล้ว สามารถสรุปได้ดังนี้:
 

คุณสามารถดูเงื่อนไขการใช้งานของทั้งสองแบบได้จากรูปด้านล่าง บริเวณที่แรเงาแสดงว่าสามารถเลือกใช้ทั้ง MOSFET และ IGBT ได้ และเครื่องหมาย "?" แสดงถึงระดับที่ไม่สามารถทำได้ด้วยกระบวนการปัจจุบัน  
   
โดยทั่วไปแล้ว ข้อดีของ MOSFET คือมีคุณสมบัติที่ดีในความถี่สูงและสามารถทำงานได้ที่ความถี่หลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์ไปจนถึงเมกะเฮิร์ตซ์ ข้อเสียคือมีความต้านทานขณะเปิดใช้งานสูงและกินพลังงานมากในสภาวะแรงดันและกระแสสูง ในทางกลับกัน IGBT ทำงานได้ดีในสภาวะความถี่ต่ำและกำลังสูง มีความต้านทานขณะเปิดใช้งานต่ำและทนต่อแรงดันได้สูง  
MOSFET ใช้ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง บัลลาสต์ เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง เครื่องเชื่อมอินเวอร์เตอร์ความถี่สูง แหล่งจ่ายไฟสำหรับการสื่อสาร และสาขาแหล่งจ่ายไฟความถี่สูงอื่นๆ ในขณะที่ IGBT ส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องเชื่อม อินเวอร์เตอร์ ตัวแปลงความถี่ แหล่งจ่ายไฟสำหรับการชุบโลหะด้วยไฟฟ้า เครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำอัลตราโซนิก และสาขาอื่นๆ

หมายเหตุ: บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก "21ic Electronic Network" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อตีพิมพ์ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก