Analiza technologii tranzystorów mocy

Stan rozwoju tranzystorów mocy
Po dziesięcioleciach rozwoju poczyniono znaczne postępy. Od wczesnych tranzystorów bipolarnych (BJT) do dzisiejszych tranzystorów polowych metal-tlenek-półprzewodnik (MOSFET) i tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką (IGBT), tranzystory mocy znacznie poprawiły się pod względem rezystancji włączenia, szybkości przełączania, rezystancji napięcia i gęstości mocy.

Tranzystor bipolarny (BJT)
BJT to jeden z pierwszych powszechnie stosowanych tranzystorów mocy o dużym wzmocnieniu prądowym i dobrych charakterystykach liniowych, ale jego prędkość przełączania jest stosunkowo niska, a straty przewodzenia duże.

Tranzystor polowy półprzewodnikowy z tlenkiem metalu (MOSFET)
Tranzystory MOSFET mają wysoką impedancję wejściową, niską rezystancję i szybkie charakterystyki przełączania, co czyni je odpowiednimi do szybkiego przełączania i zastosowań niskonapięciowych. Są szeroko stosowane w takich dziedzinach, jak zasilacze impulsowe, przetwornice DC-DC i pojazdy elektryczne.

Tranzystor bipolarny z izolowaną bramką (IGBT)
Tranzystor IGBT łączy w sobie niskie straty przewodzenia tranzystora BJT z wysoką impedancją wejściową i szybkimi charakterystykami przełączania tranzystora MOSFET, co sprawia, że ​​nadaje się do zastosowań wysokonapięciowych i wysokoprądowych, takich jak inwertery i napędy silników.

Główne rodzaje
Tranzystory mocy dzieli się głównie na poniższe kategorie, z których każda ma swoje unikalne cechy i scenariusze zastosowań:
MOSFET niskiego napięcia
Głównie używany w aplikacjach przełączników niskonapięciowych i szybkich, takich jak płyty główne komputerów, systemy zarządzania bateriami i przenośne urządzenia elektroniczne. Ma wyjątkowo niską rezystancję, dużą prędkość przełączania i niskie zużycie energii.

MOSFET wysokiego napięcia
Głównie używany w takich dziedzinach jak zarządzanie energią, oświetlenie i pojazdy elektryczne. Ma wysoką rezystancję napięcia i niską stratę przewodzenia, ale prędkość przełączania jest stosunkowo niska.

IGBT
Głównie używany w aplikacjach wysokiego napięcia i wysokiego prądu, takich jak inwertery, przetwornice częstotliwości i systemy sterowania silnikami pojazdów elektrycznych. Łączy zalety BJT i ​​MOSFET, ale słabo sprawdza się w aplikacjach o wysokiej częstotliwości.

MOSFET superzłączowy
Jest to ulepszony MOSFET, który znacznie zmniejsza rezystancję włączenia i poprawia wytrzymałość napięciową poprzez optymalizację struktury tranzystora. Jest szeroko stosowany w zasilaczach o wysokiej wydajności i inwerterach.

Kluczowe parametry techniczne
Przy wyborze i stosowaniu tranzystorów mocy należy wziąć pod uwagę następujące kluczowe parametry techniczne:
W przypadku oporu (RDS (wł.))
Im niższa rezystancja włączenia, tym mniejsza strata włączenia, co pomaga poprawić wydajność systemu. Rezystancja włączenia MOSFET-ów jest zwykle niższa niż w przypadku BJT i ​​IGBT.

Maksymalny prąd (ID)
Określa ona maksymalny prąd, jaki tranzystor może wytrzymać, a jego dobór powinien gwarantować spełnienie wymagań prądowych obwodu.

Rezystancja napięciowa (VDS lub VCE)
Odnosi się do maksymalnego napięcia, jakie tranzystor może wytrzymać w stanie wyłączonym. Wymagania dotyczące rezystancji napięcia różnią się w zależności od scenariuszy zastosowań, a odpowiedni model należy wybrać zgodnie ze szczególnymi potrzebami.

Prędkość przełączania (tr i tf)
Odnosi się do czasu, jaki zajmuje tranzystorowi przejście od przewodzenia do rozłączenia lub od rozłączenia do przewodzenia. Aplikacje przełączników o dużej prędkości wymagają wyboru tranzystorów o dużej prędkości przełączania.

Rozpraszanie mocy (PD)
Odnosi się do ciepła wytwarzanego przez tranzystor podczas jego działania. Należy wybierać tranzystory o dobrej wydajności rozpraszania ciepła, aby zapewnić ich stabilną pracę w warunkach dużej mocy.

Scenariusze zastosowań
Tranzystory mocy są powszechnie stosowane w różnych dziedzinach. Oto kilka typowych scenariuszy zastosowań:
Zasilacz impulsowy
W zasilaczach impulsowych MOSFET-y i IGBT-y są szeroko stosowane do wydajnej konwersji energii. MOSFET-y nadają się do zasilaczy impulsowych niskiego napięcia, natomiast IGBT-y są stosowane do zasilaczy impulsowych wysokiego napięcia.

pojazd elektryczny
System sterowania silnikiem i zarządzania energią w Chinach szeroko wykorzystuje IGBT i MOSFET. IGBT nadaje się do napędu silników wysokonapięciowych i wysokoprądowych, podczas gdy MOSFET jest używany do zarządzania akumulatorami i przetworników DC-DC.

Falownik fotowoltaiczny
Tranzystory mocy służą do zamiany prądu stałego na prąd przemienny. IGBT i superzłączowe MOSFET są powszechnie stosowane w takich wysokowydajnych urządzeniach do konwersji energii.

automatyka przemysłowa
W dziedzinie automatyki przemysłowej tranzystory mocy są stosowane w napędach silników, przetwornicach częstotliwości i układach serwo. Ich wydajne i niezawodne właściwości zapewniają stabilną pracę systemu
Przyszłe trendy rozwojowe
Technologia tranzystorów mocy będzie się w przyszłości rozwijać i ewoluować, a wśród jej głównych trendów można wyróżnić:

Zwiększ wydajność i zmniejsz zużycie energii
Optymalizacja struktury i materiałów tranzystorów pozwala na dalszą redukcję rezystancji przełączania i strat przełączania, co zwiększa wydajność systemu i zmniejsza zużycie energii.

Zastosowanie nowych materiałów
Zastosowanie szerokopasmowych materiałów półprzewodnikowych, takich jak węglik krzemu SiC i azotek galu GaN w tranzystorach mocy staje się coraz bardziej powszechne. Tranzystory SiC i GaN charakteryzują się wysoką rezystancją napięcia, wysoką częstotliwością i niskimi stratami i będą odgrywać ważną rolę w dziedzinie wydajnej konwersji energii.

Integracja i inteligencja
Zintegrowanie tranzystorów mocy, obwodów sterujących i obwodów zabezpieczających w jednym pakiecie w celu utworzenia inteligentnego modułu mocy (IPM) upraszcza projekt i zwiększa niezawodność. Inteligentne moduły mocy będą szeroko stosowane w takich dziedzinach jak automatyka przemysłowa, pojazdy elektryczne i urządzenia gospodarstwa domowego.

Konwersja wysokiej częstotliwości
Wraz ze wzrostem zastosowań o wysokiej częstotliwości, takich jak ładowanie bezprzewodowe i komunikacja 5G, tranzystory mocy muszą mieć wyższe częstotliwości przełączania. Nowe materiały i projekty będą napędzać rozwój tranzystorów mocy w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.

Miniaturyzacja
Wraz z rozwojem urządzeń elektronicznych w kierunku cienkich, lekkich i kompaktowych rozmiarów, tranzystory mocy również będą ewoluować w kierunku mniejszych rozmiarów i większej gęstości mocy, aby sprostać potrzebom urządzeń przenośnych i zminiaturyzowanych.

 

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