Tehotransistoriteknologian analyysi

Tehotransistorien kehitystila
Vuosikymmenten kehityksen jälkeen on tapahtunut merkittävää edistystä. Varhaisista bipolaarisista transistoreista (BJT) nykypäivän metallioksidipuolijohdekenttätransistoreihin (MOSFET) ja eristettyihin bipolaarisiin transistoreihin (IGBT:t) tehotransistorit ovat parantuneet huomattavasti päällekkäisvastuksen, kytkentänopeuden, jänniteresistanssin ja tehotiheyden suhteen.

Bipolaaritransistori (BJT)
BJT on varhain laajalti käytetty tehotransistori, jolla on korkea virranvahvistus ja hyvät lineaariset ominaisuudet, mutta sen kytkentänopeus on suhteellisen hidas ja johtavuushäviö suuri.

Metallioksidipuolijohdekenttätransistori (MOSFET)
MOSFETeillä on korkea tuloimpedanssi, alhainen resistanssi ja nopeat kytkentäominaisuudet, joten ne sopivat nopeaan kytkentään ja pienjännitesovelluksiin. Sitä käytetään laajalti sellaisilla aloilla kuin hakkuriteholähteet, DC-DC-muuntimet ja sähköajoneuvot.

Eristetty portti bipolaaritransistori (IGBT)
IGBT yhdistää BJT:n alhaisen johtavuushäviön MOSFETin korkeaan tuloimpedanssiin ja nopeisiin kytkentäominaisuuksiin, mikä tekee siitä sopivan korkeajännite- ja suurvirtasovelluksiin, kuten invertteriin ja moottorikäyttöihin.

Päätyypit
Tehotransistorit jaetaan pääasiassa seuraaviin luokkiin, joista jokaisella on ainutlaatuiset ominaisuudet ja sovellusskenaariot:
Pienjännite MOSFET
Käytetään pääasiassa pienjännite- ja suurnopeuskytkinsovelluksissa, kuten tietokoneiden emolevyissä, akunhallintajärjestelmissä ja kannettavissa elektronisissa laitteissa. Siinä on erittäin alhainen vastus, nopea kytkentänopeus ja alhainen virrankulutus.

Korkeajännite MOSFET
Käytetään pääasiassa sellaisilla aloilla kuin virranhallinta, valaistus ja sähköajoneuvot. Siinä on korkea jännitevastus ja pieni johtavuushäviö, mutta kytkentänopeus on suhteellisen alhainen.

IGBT
Käytetään pääasiassa suurjännite- ja suurvirtasovelluksissa, kuten invertterit, taajuusmuuttajat ja sähköajoneuvojen moottorinohjausjärjestelmät. Siinä yhdistyvät BJT:n ja MOSFETin edut, mutta se toimii huonosti korkeataajuisissa sovelluksissa.

Superliitos MOSFET
Se on parannettu MOSFET, joka vähentää merkittävästi päällekkäisvastusta ja parantaa jännitteenkestokykyä optimoimalla transistorin rakennetta. Sitä käytetään laajalti tehokkaissa virtalähteissä ja inverttereissä.

Tärkeimmät tekniset parametrit
Tehotransistoreja valittaessa ja käytettäessä on otettava huomioon seuraavat keskeiset tekniset parametrit:
Vastus (RDS (päällä))
Mitä pienempi on vastus, sitä pienempi on häviö, mikä auttaa parantamaan järjestelmän tehokkuutta. MOSFETien päällekytkentävastus on yleensä pienempi kuin BJT:n ja IGBT:n.

Suurin virta (ID)
Se viittaa maksimivirtaan, jonka transistori voi kestää, ja valinnan tulee varmistaa, että se täyttää piirin virtavaatimukset.

Jännitevastus (VDS tai VCE)
Se viittaa enimmäisjännitteeseen, jonka transistori voi kestää ollessaan pois päältä. Jännitevastusvaatimukset vaihtelevat eri käyttöskenaarioissa, ja sopiva malli tulee valita erityistarpeiden mukaan.

Vaihtonopeus (tr ja tf)
Se tarkoittaa aikaa, joka kuluu transistorin siirtymisestä johtamisesta katkaisemiseen tai irrottautumisesta johtamiseen. Nopeat kytkinsovellukset edellyttävät nopean kytkentänopeuksien transistorien valintaa.

Tehonhäviö (PD)
Se tarkoittaa transistorin toiminnan aikana tuottamaa lämpöä. On tarpeen valita transistorit, joilla on hyvä lämmönpoistokyky, jotta voidaan varmistaa niiden vakaa toiminta suuren tehon olosuhteissa.

Sovellusskenaariot
Tehotransistoreja käytetään laajasti eri aloilla, ja seuraavat ovat useita tyypillisiä sovellusskenaarioita:
Hakkuritilan virtalähde
Hakkuriteholähteissä MOSFETejä ja IGBT:itä käytetään laajalti tehokkaaseen energian muuntamiseen. MOSFETit soveltuvat pienjännitteisille hakkuriteholähteille, kun taas IGBT:itä käytetään suurjännitteisille hakkuriteholähteille.

sähköauto
Kiinan moottorinohjaus- ja energianhallintajärjestelmä käyttää laajasti IGBT:tä ja MOSFETiä. IGBT soveltuu suurjännite- ja suurvirtamoottorikäyttöön, kun taas MOSFET:iä käytetään akun hallintaan ja DC-DC-muuntimiin.

Aurinkosähköinen invertteri
Tehotransistoreja käytetään muuntamaan tasavirta vaihtovirraksi. IGBT:tä ja superliitos-MOSFETiä käytetään yleisesti tällaisissa tehokkaissa energianmuunnoslaitteissa.

teollisuusautomaatio
Teollisuusautomaation alalla tehotransistoreja käytetään moottorikäytöissä, taajuusmuuttajissa ja servojärjestelmissä. Sen tehokkaat ja luotettavat ominaisuudet varmistavat järjestelmän vakaan toiminnan
Tulevaisuuden kehitystrendit
Tehotransistoriteknologia jatkaa kehittymistä ja kehittymistä tulevaisuudessa, ja merkittäviä trendejä ovat mm.

Paranna tehokkuutta ja vähennä virrankulutusta
Optimoimalla transistorin rakenne ja materiaalit, vähentämällä edelleen päällekytkentä- ja kytkentähäviöitä, parantamalla järjestelmän tehokkuutta ja vähentämällä energiankulutusta.

Uusien materiaalien käyttö
Leveän kaistavälin puolijohdemateriaalien, kuten piikarbidin SiC ja galliumnitridi GaN, käyttö tehotransistoreissa on yleistymässä. SiC- ja GaN-transistoreilla on korkea jännitevastus, korkea taajuus ja pieni häviö, ja niillä on tärkeä rooli tehokkaan energian muuntamisen alalla.

Integraatio ja älykkyys
Tehotransistorien, ohjauspiirien ja suojapiirien yhdistäminen yhdeksi paketiksi älykkään tehomoduulin (IPM) muodostamiseksi yksinkertaistaa suunnittelua ja parantaa luotettavuutta. Älykkäitä tehomoduuleja tullaan käyttämään laajasti muun muassa teollisuusautomaatiossa, sähköajoneuvoissa ja kodinkoneissa.

Korkeataajuinen muunnos
Suurtaajuisten sovellusten, kuten langattoman latauksen ja 5G-viestinnän, lisääntyessä tehotransistoreilta vaaditaan korkeampia kytkentätaajuuksia. Uudet materiaalit ja mallit ohjaavat tehotransistorien kehitystä korkeataajuisissa sovelluksissa.

Miniatyrisointi
Kun elektronisia laitteita kehitetään kohti ohuita, kevyitä ja kompakteja kokoja, tehotransistorit kehittyvät myös kohti pienempiä kokoja ja suurempia tehotiheyksiä kannettavien ja pienikokoisten laitteiden tarpeisiin.

 

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