Analiza tehnologije tranzistora snage

Status razvoja tranzistora snage
Nakon desetljeća razvoja, postignut je značajan napredak. Od ranih bipolarnih tranzistora (BJT) do današnjih poluvodičkih metalnih oksidnih tranzistora s efektom polja (MOSFET) i bipolarnih tranzistora s izoliranim vratima (IGBT), tranzistori snage znatno su poboljšani u smislu otpora pri uključivanju, brzine prebacivanja, naponske otpornosti i gustoće snage.

Bipolarni tranzistor (BJT)
BJT je rano široko korišten tranzistor snage s velikim strujnim pojačanjem i dobrim linearnim karakteristikama, ali njegova je brzina preklapanja relativno spora, a gubitak vodljivosti velik.

Metalni oksid poluvodički tranzistor s efektom polja (MOSFET)
MOSFET-ovi imaju visoku ulaznu impedanciju, mali otpor i karakteristike brzog prebacivanja, što ih čini prikladnim za brze sklopke i niskonaponske aplikacije. Naširoko se koristi u područjima kao što su prekidački izvori napajanja, DC-DC pretvarači i električna vozila.

Bipolarni tranzistor s izoliranim vratima (IGBT)
IGBT kombinira nizak gubitak vodljivosti BJT-a s visokom ulaznom impedancijom i karakteristikama brzog prebacivanja MOSFET-a, što ga čini prikladnim za aplikacije visokog napona i velike struje kao što su pretvarači i motorni pogoni.

Glavne vrste
Tranzistori snage uglavnom se dijele u sljedeće kategorije, svaka sa svojim jedinstvenim karakteristikama i scenarijima primjene:
Niskonaponski MOSFET
Uglavnom se koristi u aplikacijama s niskonaponskim i brzim prekidačima, kao što su matične ploče računala, sustavi upravljanja baterijama i prijenosni elektronički uređaji. Ima izuzetno nizak otpor, veliku brzinu prebacivanja i nisku potrošnju energije.

Visokonaponski MOSFET
Uglavnom se koristi u poljima kao što su upravljanje napajanjem, rasvjeta i električna vozila. Ima visoku otpornost na napon i mali gubitak vodljivosti, ali je brzina prebacivanja relativno niska.

IGBT
Uglavnom se koristi u visokonaponskim i visokostrujnim aplikacijama, kao što su pretvarači, pretvarači frekvencije i sustavi upravljanja motorima za električna vozila. Kombinira prednosti BJT i ​​MOSFET-a, ali ima loše performanse u visokofrekventnim primjenama.

Superjunkcijski MOSFET
To je poboljšani MOSFET koji značajno smanjuje otpor pri uključivanju i poboljšava sposobnost podnošenja napona optimizacijom strukture tranzistora. Naširoko se koristi u visokoučinkovitim napajanjima i pretvaračima.

Ključni tehnički parametri
Prilikom odabira i korištenja tranzistora snage potrebno je uzeti u obzir sljedeće ključne tehničke parametre:
Na otpor (RDS (uključen))
Što je niži otpor pri uključivanju, to je manji gubitak pri uključivanju, što pomaže u poboljšanju učinkovitosti sustava. Otpor pri uključivanju MOSFET-a obično je manji nego kod BJT-a i IGBT-a.

Maksimalna struja (ID)
Odnosi se na maksimalnu struju koju tranzistor može izdržati, a odabir bi trebao osigurati da može zadovoljiti strujne zahtjeve strujnog kruga.

Otpor na napon (VDS ili VCE)
Odnosi se na maksimalni napon koji tranzistor može izdržati kada je u isključenom stanju. Zahtjevi za naponsku otpornost razlikuju se u različitim scenarijima primjene, a odgovarajući model treba odabrati prema specifičnim potrebama.

Brzina prebacivanja (tr i tf)
Odnosi se na vrijeme koje je potrebno tranzistoru da prijeđe iz provodljivosti u stanje odspajanja ili iz stanja odspajanja u stanje provodljivosti. Primjene sklopki velike brzine zahtijevaju odabir tranzistora s velikim brzinama sklopke.

Rasipanje snage (PD)
Odnosi se na toplinu koju stvara tranzistor tijekom svog rada. Potrebno je odabrati tranzistore s dobrim performansama odvođenja topline kako bi se osigurao njihov stabilan rad u uvjetima velike snage.

Scenariji primjene
Tranzistori snage naširoko se koriste u raznim područjima, a sljedeće je nekoliko tipičnih scenarija primjene:
Preklopno napajanje
U prekidačkim izvorima napajanja, MOSFET-ovi i IGBT-ovi naširoko se koriste za učinkovitu pretvorbu energije. MOSFET-ovi su prikladni za niskonaponska sklopna napajanja, dok se IGBT koriste za visokonaponska sklopna napajanja.

električno vozilo
Kontrola motora i sustav upravljanja energijom u Kini intenzivno koristi IGBT i MOSFET. IGBT je prikladan za visokonaponski i visokostrujni pogon motora, dok se MOSFET koristi za upravljanje baterijama i DC-DC pretvarače.

Fotonaponski pretvarač
Tranzistori snage služe za pretvaranje istosmjerne struje u izmjeničnu. IGBT i superspoj MOSFET obično se koriste u takvim visokoučinkovitim uređajima za pretvorbu energije.

industrijska automatizacija
U području industrijske automatizacije, tranzistori snage se koriste za motorne pogone, pretvarače frekvencije i servo sustave. Njegove učinkovite i pouzdane karakteristike osiguravaju stabilan rad sustava
Trendovi budućeg razvoja
Tehnologija tranzistora snage nastavit će se razvijati i razvijati u budućnosti, s glavnim trendovima uključujući:

Poboljšajte učinkovitost i smanjite potrošnju energije
Optimiziranjem strukture tranzistora i materijala, daljnjim smanjenjem otpora pri uključivanju i prekidačkim gubicima, poboljšanjem učinkovitosti sustava i smanjenjem potrošnje energije.

Primjena novih materijala
Primjena širokopojasnih poluvodičkih materijala kao što su silicijev karbid SiC i galijev nitrid GaN u tranzistorima snage postaje sve raširenija. SiC i GaN tranzistori imaju karakteristike visokog naponskog otpora, visoke frekvencije i malih gubitaka, te će igrati važnu ulogu u području učinkovite pretvorbe energije.

Integracija i inteligencija
Integriranje tranzistora snage, pogonskih krugova i zaštitnih krugova u jedan paket u obliku inteligentnog modula napajanja (IPM) pojednostavljuje dizajn i poboljšava pouzdanost. Inteligentni moduli napajanja široko će se koristiti u područjima kao što su industrijska automatizacija, električna vozila i kućanski uređaji.

Visokofrekventna pretvorba
S porastom visokofrekventnih aplikacija kao što su bežično punjenje i 5G komunikacija, tranzistori snage moraju imati više frekvencije prebacivanja. Novi materijali i dizajni potaknut će razvoj tranzistora snage u visokofrekventnim aplikacijama.

Minijaturizacija
S razvojem elektroničkih uređaja prema tankim, laganim i kompaktnim veličinama, tranzistori snage će također evoluirati prema manjim veličinama i većoj gustoći snage kako bi zadovoljili potrebe prijenosnih i minijaturiziranih uređaja.

 

https://www.trrsemicon.com/transistor/mosfet-transistor/mosfet-ao3406.html