Analýza technológie výkonových tranzistorov

Stav vývoja výkonových tranzistorov
Po desaťročiach vývoja sa dosiahol významný pokrok. Od skorých bipolárnych tranzistorov (BJT) po dnešné polovodičové tranzistory s efektom poľa (MOSFET) a bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT) sa výkonové tranzistory výrazne zlepšili, pokiaľ ide o odpor, rýchlosť spínania, odpor napätia a hustotu výkonu.

Bipolárny tranzistor (BJT)
BJT je skorý široko používaný výkonový tranzistor s vysokým prúdovým ziskom a dobrými lineárnymi charakteristikami, ale jeho rýchlosť spínania je relatívne pomalá a strata vedenia je veľká.

Oxidový polovodičový tranzistor s efektom poľa (MOSFET)
MOSFETy majú vysokú vstupnú impedanciu, nízky odpor a rýchle spínacie charakteristiky, vďaka čomu sú vhodné pre vysokorýchlostné spínanie a nízkonapäťové aplikácie. Je široko používaný v oblastiach, ako sú spínané napájacie zdroje, DC-DC konvertory a elektrické vozidlá.

Bipolárny tranzistor s izolovaným hradlom (IGBT)
IGBT kombinuje nízku vodivosť BJT s vysokou vstupnou impedanciou a rýchlymi spínacími charakteristikami MOSFET, vďaka čomu je vhodný pre vysokonapäťové a vysokoprúdové aplikácie, ako sú meniče a motorové pohony.

Hlavné typy
Výkonové tranzistory sú rozdelené hlavne do nasledujúcich kategórií, z ktorých každá má svoje jedinečné vlastnosti a aplikačné scenáre:
Nízkonapäťový MOSFET
Používa sa hlavne v aplikáciách nízkonapäťových a vysokorýchlostných prepínačov, ako sú základné dosky počítačov, systémy správy batérií a prenosné elektronické zariadenia. Má extrémne nízky odpor, vysokú rýchlosť spínania a nízku spotrebu energie.

Vysokonapäťový MOSFET
Používa sa hlavne v oblastiach, ako je správa napájania, osvetlenie a elektrické vozidlá. Má vysoký odpor napätia a nízku stratu vedenia, ale rýchlosť spínania je relatívne nízka.

IGBT
Používa sa hlavne vo vysokonapäťových a vysokoprúdových aplikáciách, ako sú invertory, frekvenčné meniče a riadiace systémy motora pre elektrické vozidlá. Spája výhody BJT a MOSFET, ale funguje zle vo vysokofrekvenčných aplikáciách.

Superjunction MOSFET
Ide o vylepšený MOSFET, ktorý výrazne znižuje zapínací odpor a zlepšuje odolnosť voči napätiu optimalizáciou štruktúry tranzistora. Je široko používaný vo vysoko účinných napájacích zdrojoch a meničoch.

Kľúčové technické parametre
Pri výbere a používaní výkonových tranzistorov je potrebné zvážiť nasledujúce kľúčové technické parametre:
Na odpor (RDS (zapnuté))
Čím nižší je odpor pri zapnutí, tým menšia je strata pri zapnutí, čo pomáha zlepšiť účinnosť systému. Odolnosť MOSFET pri zapnutí je zvyčajne nižšia ako u BJT a IGBT.

Maximálny prúd (ID)
Vzťahuje sa na maximálny prúd, ktorý môže tranzistor vydržať, a výber by mal zabezpečiť, aby spĺňal aktuálne požiadavky obvodu.

Odolnosť voči napätiu (VDS alebo VCE)
Vzťahuje sa na maximálne napätie, ktoré môže tranzistor vydržať, keď je vo vypnutom stave. Požiadavky na napäťový odpor sa líšia v rôznych aplikačných scenároch a vhodný model by sa mal vybrať podľa špecifických potrieb.

Rýchlosť prepínania (tr a tf)
Vzťahuje sa na čas, ktorý tranzistor potrebuje na prechod od vedenia k odpojeniu alebo od odpojenia k vedeniu. Aplikácie vysokorýchlostných spínačov vyžadujú výber tranzistorov s vysokou rýchlosťou spínania.

Stratový výkon (PD)
Vzťahuje sa na teplo generované tranzistorom počas jeho prevádzky. Je potrebné zvoliť tranzistory s dobrým výkonom odvádzania tepla, aby sa zabezpečila ich stabilná prevádzka v podmienkach vysokého výkonu.

Aplikačné scenáre
Výkonové tranzistory sú široko používané v rôznych oblastiach a tu je niekoľko typických aplikačných scenárov:
Spínaný režim napájania
V spínaných zdrojoch energie sa MOSFET a IGBT široko používajú na efektívnu premenu energie. MOSFETy sú vhodné pre nízkonapäťové spínané zdroje, zatiaľ čo IGBT sa používajú pre vysokonapäťové spínané zdroje.

elektrické vozidlo
Systém riadenia motora a riadenia energie v Číne vo veľkej miere využíva IGBT a MOSFET. IGBT je vhodný pre vysokonapäťový a vysokoprúdový motorový pohon, zatiaľ čo MOSFET sa používa na riadenie batérie a DC-DC meniče.

Fotovoltaický invertor
Výkonové tranzistory sa používajú na premenu jednosmerného prúdu na striedavý prúd. IGBT a superjunction MOSFET sa bežne používajú v takýchto vysoko účinných zariadeniach na premenu energie.

priemyselná automatizácia
V oblasti priemyselnej automatizácie sa výkonové tranzistory používajú pre motorové pohony, frekvenčné meniče a servosystémy. Jeho efektívne a spoľahlivé vlastnosti zabezpečujú stabilnú prevádzku systému
Trendy budúceho vývoja
Technológia výkonových tranzistorov sa bude v budúcnosti naďalej vyvíjať a vyvíjať, pričom hlavné trendy zahŕňajú:

Zlepšite efektivitu a znížte spotrebu energie
Optimalizáciou štruktúry a materiálov tranzistora, ďalším znížením odporu a spínacích strát, zlepšením účinnosti systému a znížením spotreby energie.

Aplikácia nových materiálov
Aplikácia polovodičových materiálov so širokým pásmom, ako je karbid kremíka SiC a nitrid gália GaN vo výkonových tranzistoroch je čoraz rozšírenejšia. SiC a GaN tranzistory majú charakteristiky vysokonapäťového odporu, vysokej frekvencie a nízkej straty a budú hrať dôležitú úlohu v oblasti efektívnej premeny energie.

Integrácia a inteligencia
Integrácia výkonových tranzistorov, budiacich obvodov a ochranných obvodov do jedného balíka na vytvorenie inteligentného výkonového modulu (IPM) zjednodušuje dizajn a zvyšuje spoľahlivosť. Inteligentné napájacie moduly budú široko používané v oblastiach, ako je priemyselná automatizácia, elektrické vozidlá a domáce spotrebiče.

Vysokofrekvenčná konverzia
S nárastom vysokofrekvenčných aplikácií, ako je bezdrôtové nabíjanie a komunikácia 5G, sa vyžaduje, aby výkonové tranzistory mali vyššie spínacie frekvencie. Nové materiály a konštrukcie budú poháňať vývoj výkonových tranzistorov vo vysokofrekvenčných aplikáciách.

Miniaturizácia
S vývojom elektronických zariadení smerom k tenkým, ľahkým a kompaktným veľkostiam sa výkonové tranzistory budú vyvíjať aj smerom k menším veľkostiam a vyšším výkonovým hustotám, aby vyhovovali potrebám prenosných a miniaturizovaných zariadení.

 

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