Основи на MOSFET технологията в енергийните системи

MOSFET, което означава Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (метал-оксид-полупроводников транзистор с ефект на поле), работи като ключ, контролиран от напрежение, който регулира как електричеството тече от дренажния към източния терминал чрез така нареченият електрод на вентила. Особеност на тези компоненти е тяхната съставена структура, включваща метален вентил, изолиращ оксиден слой и легирани полупроводникови области. Тази конструкция осигурява изключително прецизен контрол във високомощни вериги, без загуба на много енергия. В сравнение с по-старите биполярни транзистори, MOSFET-ите почти не изискват ток, за да управляват вентила. Тази характеристика ги прави особено подходящ избор при задачи, свързани с управление на енергията, където е от съществено значение както ефективността, така и възможността системите да се мащабират нагоре или надолу в зависимост от нуждите.

N-каналните MOSFET доминират в съвременните системи поради по-ниското съпротивление в отвореното състояние ( Rdson ) и превъзходна подвижност на електроните, което намалява загубите при провеждане в среди с висок ток, като DC-DC преобразуватели. Липсата на заряди от неосновни носители още повече позволява по-бързи превключвания, което е критично за високочестотни операции в инвертори за възобновяема енергия и индустриални моторни задвижвания.

Как Power MOSFET транзисторите осигуряват ефективно преобразуване и превключване на енергия

МОСФЕТ елементите постигат около 98% ефективност при преобразуването на енергия благодарение на способността си за бързо комутиране и ниското съпротивление при провеждане на ток. Когато се използват в инвертори за слънчеви панели, тези компоненти помагат да се намалят досадните загуби, които възникват при преобразуването от постоянен на променлив ток, което прави голяма разлика за ефективността на цялата система. Някои проучвания, публикувани миналата година, показаха още нещо интересно. Установено е, че когато производителите настройват честотата, при която МОСФЕТ елементите комутират в зарядни устройства за електрически превозни средства, това всъщност помага да се поддържа по-ниска температура в самите зарядни устройства с около 23 процента. Освен това, по този начин се губи по-малко енергия.

Основни иновации включват:

• Проекти за термичен режим , като опаковка с медни клипове, които отвеждат топлината с 40% по-бързо в сравнение с алтернативите с жични връзки.
• Съвместимост с широкозонни материали , което позволява интегриране с подложки от силициев карбид (SiC) за по-голяма устойчивост при високи температури.

Тези постижения утвърждават MOSFET транзисторите като основни компоненти в приложенията за управление на енергия, като осигуряват балансиране между ефективност, издръжливост и цена.

Максимизиране на ефективността на комутиране и високочестотното представяне

Принципи на ефективност на комутиране в MOSFET вериги

Използването на максималния потенциал на MOSFET комутирането всъщност се свежда до намаляване на досадните преходни загуби на енергия при превключване на устройството между състояния. Два основни фактора са от значение тук: съпротивлението между дрейна и източника в отворено състояние (стойността на Rds(on)) влияе върху количеството загубена енергия при провеждане на ток, а зарядът на управляващата електрода (Qg) определя колко енергия трябва да се вложи за задвижване на електродa. За по-добра производителност инженерите често използват напреднали схемни проекти, като синхронни понижаващи преобразуватели, които могат да комутират значително по-бързо между състояния. Съществуват и постижения в методите за задвижване на управляващата електрода, където предиктивни алгоритми помагат за прецизно настройване на интервалите на мъртво време, за да се избегнат опасните условия на директен токов пробой (shoot through), които вредят на компонентите.

Високочестотна работа в DC-DC преобразуватели и захранващи източници

Ключовата работа на високи честоти между 500 kHz и 5 MHz в DC-DC преобразувателите може да намали пасивните компоненти с до 60%. Това прави възможно изграждането на по-малки захранващи източници, които лесно се вписват в стелажи за данни и индустриални машини, където пространството е от значение. При работа с такива проекти, инженерите трябва да следят за досадните проблеми с паразитната капацитивност и ефекта на кожна дълбочина в PCB платките си. Правилното проектиране на платката е от решаващо значение тук. Добрата новина е, че резонансните вериги като LLC преобразувателите помагат да се справят с досадните скокове на напрежение, без да се жертва ефективността, дори когато работят над 1 MHz. Много производители използват тези решения, защото осигуряват както предимства в производителността, така и икономия на пространство в все по-натъпканите електронни среди.

Балансиране на скоростта на комутиране и електромагнитните смущения (EMI)

Получаването на по-бързи скорости на комутиране без влошаване на ЕМП включва сложно балансиране между различни аспекти на дизайна на веригите и методите за управление. Наскорошни изследвания от 2023 г. показаха, че настройката на подхода с предварително зададен набор от контролни действия при моделно-предиктивното управление намалява загубите при комутиране с около 28 процента, като при това честотите остават стабилни в необходимите граници. В същото време използването на комутиране при нулево напрежение елиминира досадните припокривания между напрежението и тока при смяна на състоянията, което всъщност намалява нивата на ЕМП с около 15 dBµV в диапазона от 2 до 30 MHz. Цената на тези техники е, че те работят успешно в широк диапазон от честоти – от килогерци чак до мегагерци. Това е особено важно за приложения в автомобилната индустрия и системите за зелена енергия, където спазването на стандартите CISPR 32 относно електромагнитните смущения остава критично.

Намаляване на загубите при проводимост и оптимизация на топлинната ефективност

Загуби от провеждане и значението на ниското съпротивление в отворено състояние (Rdson)

Според нови изследвания от Power Electronics Journal, загубите от провеждане съставляват около 45% от общите загуби на енергия в системи, използващи MOSFET транзистори. Това прави наличието на ниско съпротивление в отворено състояние (Rdson) наистина важно за представянето. Когато Rdson е по-ниско, има по-малки загуби от типа I на квадрат по R докато електричеството тече през компонента, което означава по-добра ефективност за неща като DC-DC преобразуватели и системи за управление на двигатели. Производителите са разширили възможностите на технологията на силициевите MOSFET транзистори напоследък, като са намалили Rdson под 1 милиом благодарение на подобрения в дизайна на траншовите порта и по-тънките пластили. Вземете като пример инверторите за електрически превозни средства – намаляването на Rdson от 5 на 2 милиома в система с ток от 100 ампера може да намали енергийните загуби с около 18 долара на киловатчас всяка година, което спестява средства и намалява генерирането на топлина едновременно.

Стратегии за термичен контрол при проектиране на високомощни MOSFET устройства

Ефективното отвеждане на топлината изисква трикомпонентен подход:

Стратегия	Предимство	Пример за внедряване
Избор на материал	25% по-ниско термично съпротивление	Печатни платки с медно покритие и керамични подложки
Оптимизация на разположението	15°C намаление на температурата на прехода	Разпределено разположение на MOSFET транзисторите за подобрена въздушна циркулация
Активно охлаждане	40% увеличение на отвеждането на топлина	Системи за течно охлаждане с микроканали

Нови методи за опаковане като двустранно охлаждане и прикрепване на кристал със спечато сребро осигуряват 30% по-високи номинални токове при непрекъснат режим в сравнение с традиционните проекти. Инженерите все по-често комбинират тези методи с интегрални схеми за термично наблюдение в реално време, за да предотвратят неконтролируемо отделяне на топлина в критични за мисията енергийни системи.

Напредък в областта на широката забранена зона на полупроводниците: SiC и GaN MOSFET

Технологии с карбид на силиций (SiC) и нитрид на галия (GaN) MOSFET

Характеристиката с широко забранено състояние на карбид на силиций (SiC) и нитрид на галия (GaN) MOSFET транзисторите им дава реално предимство пред традиционните устройства от силиций, когато става въпрос за управление на електрозахранването. Тези материали имат значително по-големи забранени зони в сравнение с обикновения силиций. Например, SiC има около 3.3 eV, докато GaN е около 3.4 eV в сравнение с едва 1.1 eV на силиция. Това означава, че те могат да поемат напрежения, надвишаващи 1200 волта, дори когато вътрешните им температури се покачат над 200 градуса по Целзий. Особено интересен при GaN е неговият електронен мобилност, която е приблизително 2000 cm²/(V·s) в сравнение с около 1400 cm²/(V·s) при силиция. Тази по-висока мобилност се превежда в по-бързи скорости на комутиране в приложенията на DC-DC преобразуватели. Резултатът? Фотоелектричните инвертори също постигат значителни подобрения, като се съобщава, че преходните загуби са намалели с до 60 процента в някои случаи.

Сравнение на производителността: SiC и GaN срещу традиционни силициеви MOSFET транзистори

Параметър	Силициев MOSFET	SiC MOSFET	GaN HEMT
Честота на превключване	≈100 kHz	200-500 kHz	1-10 MHz
Загуби от проводимост	Висок	с 40% по-ниски	с 75% по-ниски
Термична проводимост	150 W/m·K	490 W/m·K	130 W/m·K

Таблицата по-горе илюстрира защо компонентите с широк забранен диапазон постигат 98,5% ефективност в индустриални захранвания от 10 kW, в сравнение с 95% за силициеви еквиваленти. По-ниският заряд на входа на GaN позволява използването на магнитни компоненти, които са 3 пъти по-малки в зарядни устройства за електромобили, като при това поддържат 40% по-ниски ЕМП излъчвания.

Компромиси между цена и ефективност при прилагането на полупроводници с широк забранен диапазон

Модулите SiC първоначално струват приблизително 2 до 4 пъти повече в сравнение със стандартни силициеви MOSFET транзистори, но всъщност намаляват общите разходи за системата с около 15% за слънчеви инсталации, защото изискват значително по-малки радиатори и по-малко пасивни компоненти. Публикувано преди година проучване показа, че сървърите, използващи GaN технология, могат да си върнат инвестициите само за 18 месеца благодарение на приятните 4% подобрения в ефективността при работа с максимална мощност. Въпреки това все още е важно да се отбележи, че инженерите, работещи по тези проекти, срещат сериозни предизвикателства с проблеми в надеждността, които възникват в региони с висока влажност. Затова много производители продължават да използват проверени силициеви решения, въпреки интереса към по-новите материали.

Приложения на MOSFET в областта на възобновяемата енергия и електрическите превозни средства

MOSFET транзистори в слънчеви инвертори, вятърни системи и батерийни системи за съхранение на енергия (BESS)

MOSFET транзисторите играят важна роля при комутирането на електроенергия в различни части на системите за възобновяема енергия. Вземете за пример слънчевите инвертори – тези устройства управляват преобразуването от постоянен ток към променлив ток с ефективност, достигаща почти 100%, което означава значително по-малко загубена енергия при преобразуването на електричество. Вятърните турбини също разчитат в голяма степен на MOSFET технологията за регулиране на ъглите на лопатките и управление на аварийните спирания, освен това те предлагат добра защита от скокове на напрежението, които могат да повредят оборудването. Когато става въпрос за решения за съхранение на енергия в батерии, MOSFET транзисторите помагат при управлението на процесите на зареждане и изтощаване на батериите, като поддържат ниска температура благодарение на вградени функции за управление на топлината. Според последни пазарни анализи около една четвърт от всички продавани мощностни MOSFET транзистори днес се използват в проекти за възобновяема енергия, което показва колко бързо се разраства този сектор. Това, което ги прави толкова ценни, е способността им да комутират електроенергия бързо, което позволява на мрежите гладко да управляват непредвидими източници на енергия като вятъра и слънцето, чрез прецизно регулиране на напрежението и филтриране на нежеланите електрически смущения.

Управление на енергията в електрическите превозни средства и инфраструктурата за зареждане

Днес електрическите превозни средства разчитат на масиви от MOSFET транзистори, за да използват максимално енергийните си системи. Три основни области се възползват от тази технология: тяговите инвертори поемат постоянния ток от батериите и го преобразуват в трифазен променлив ток за двигателя, губейки по-малко от 2% в процеса. Бордовите зарядни устройства работят по различен начин, но са еднакво ефективни, използвайки специални MOSFET транзистори, наречени синхронни изправители, за преобразуване на променливия ток в постоянен с ефективност над 95%. Съществува също и двупосочен DC-DC преобразувател, който управлява системите както с 48V, така и с 12V в автомобила. Когато става въпрос за зарядни станции, те всъщност използват множество MOSFET транзистори, работещи заедно, за да контролират количеството електричество, което тече по време на бързо зареждане, достигащо между 200 и 500 киловата. Тези напреднали захранвания помагат да се поддържа охлаждане дори при преминаване на толкова силен ток през тях. Резултатът? Времето за зареждане се намалява значително в сравнение с по-старите модели, понякога редуцирайки времето за изчакване почти наполовина, без да вреди на елементите на батерията с течение на времето.

Пример за изследване: Увеличаване на интеграцията на MOSFET в следващото поколение електромобили

Нови разработки на платформи за електромобили демонстрират преобразуващи стратегии за внедряване на MOSFET. Един прототип от следващото поколение увеличи плътността на MOSFET с 70% в своя тягов инвертор с кремниев карбид при 800V, постигайки 12% по-висока ефективност на системата при пълно натоварване в сравнение с предишни модели. Основните иновации включваха:

• Архитектура с двустранно охлаждане, намаляваща топлинното съпротивление (RθJA) с 35°C/W
• Интегрирани датчици за ток, елиминиращи отделни сензорни компоненти
• Модули за помощен ток, изработени от нитрид на галий (GaN), които намаляват обема на преобразувателя с 54%
  Тази интеграция намали общите загуби при провеждане до <0.12 mΩ, като в същото време осигурява пиков изход от 300 kW от корпус, който е 23% по-малък в сравнение с индустриални еквиваленти.

Често задавани въпроси

Какво е MOSFET?

MOSFET, или метално-оксиден-полупроводников транзистор с ефект на поле, е тип транзистор, използван за усилване или комутиране на електронни сигнали.

Защо MOSFET транзисторите са по-добри от биполярните транзистори при управлението на енергията?

MOSFET транзисторите изискват по-малко ток за работа и осигуряват по-добра ефективност и мащабируемост при задачи по управление на енергията.

Какво представляват SiC и GaN MOSFET транзисторите?

SiC (сициев силиций) и GaN (галеев нитрид) MOSFET транзисторите са напреднали транзистори, известни с високата ефективност и способността да поемат висока мощност.

Как MOSFET транзисторите допринасят за системите за възобновяема енергия?

MOSFET транзисторите помагат за подобряване на ефективността при преобразуването и управлението на енергия в системи като инвертори за слънчева енергия, вятърни турбини и съхранение на енергия в батерии.

Какви са предизвикателствата при използването на широкопропускови полупроводници като SiC и GaN?

Тези материали могат да бъдат по-скъпи и да имат проблеми с надеждността, особено в условията с висока влажност, в сравнение с традиционния силиций.