Управление чрез напрежение: Превключване с ниска мощност и високо входно съпротивление

Как изолираният затвор осигурява нулев статичен ток към затвора и минимална управляваща мощност

Какво прави MOSFET-ите толкова специални? Е, те притежават тази забележителна характеристика, при която затворът е изолиран — обикновено от диоксид на кремния, — което им осигурява почти безкрайно високо входно съпротивление. Веднъж зареден или разряден, през затвора вече не протича постояннотокова (DC) компонента на тока. Това означава, че практически няма статичен ток през затвора, докато устройството е в покой, и не се губи енергия, когато системата е в неподвижно състояние. Повечето енергия се изразходва само по време на превключване на устройството — основно за зареждане на капацитета на затвора. Погледнете цифрите: ако някой иска да управлява MOSFET със заряд на затвора 10 нКл при честота около 100 кХц, необходимата мощност за управление е приблизително 10 мВт. В сравнение с по-старите биполярни транзистори това е като нощ и ден по отношение на ефективността. Благодарение на тази ниска потребност от мощност инженерите могат да свързват тези устройства директно към микроконтролери, без да се налага използването на допълнителни буферни компоненти, което значително опростява общото проектиране на системата.

Реално въздействие: MOSFET елементи с логически ниво, намаляващи натоварването върху GPIO портовете на микроконтролера в модулите за управление на кузовните функции в автомобилите

Все повече автомобилни инженери обръщат внимание към MOSFET транзистори с логически ниво, които работят при само 3,3–5 волта и могат да се свързват директно към GPIO-контактите на микроконтролерите в модулите за управление на кузова. Този подход избягва цялата сложност, свързана с необходимостта от допълнителни ИС за усилване на тока, когато се управляват компоненти като автомобилни светлини, малки електродвигатели или соленоидни клапани. Вземете под внимание какво е възможно днес: един прост GPIO-контакт може да управлява превключването на товари до 2 ампера при 12 волта — нещо, което по-рано изискваше използването на традиционни реле, поглъщащи от 50 до 100 милиампера само за да останат в режим на готовност за активиране. Намаляването на токовата консумация чрез GPIO-контактите надвишава 95 %, което означава, че печатните платки могат да бъдат значително по-тънки, системите като цяло струват по-малко за производство, а батериите имат по-дълъг срок на работа. Тези предимства са особено важни в момента, когато производителите на електромобили развиват новото поколение архитектури с 48 волта, където всяка допълнителна ефективност допринася за удължаване на пробега и подобряване на производителността.

Енергийна ефективност: Ултра-ниско Rds(on) и минимални загуби при провеждане

MOSFET с ровчета и супервъзел, постигащи Rds(on) под 1 mΩ за работа при висок ток и ниски загуби

Според новоизследване, публикувано през 2023 г. в списание Power Electronics Journal, около 45 % от общите загуби на мощност в съвременните MOSFET-ове се дължат единствено на проводимостта. Това прави постигането на изключително ниски стойности на съпротивлението абсолютно критично за ефективността. Производителите напоследък са постигнали значителен напредък чрез използване на напреднали траншейни конструкции и суперструйни структури, които позволяват да се намали Rds(on) под 1 милиом благодарение на подобрени форми на управляващия електрод и по-съвършени технологии за производство на кремний. Тези подобрения намаляват онези досадни загуби I²R при протичане на ток през устройството, което има голямо значение в големи системи, които обработват значителни натоварвания – например захранващи блокове за центрове за обработка на данни. Вземете типичен пример, при който някой успее да намали Rds(on) от 5 милиома на само 2 милиома в верига, по която протича ток от 100 ампера. С течение на времето това води до спестяване от около 18 долара за електроенергия на всеки консумиран киловатчас, както и до намаляване на топлинното натрупване, което би могло да повреди съседни компоненти на платката.

SiC MOSFET-и, намаляващи статичните загуби на мощност с повече от 60 % в 48 V EV електроенергийни системи

Карбидът на кремния (SiC) или SiC MOSFET-ите предизвикват значителен интерес в 48 V електроенергийните системи за електрически автомобили благодарение на забележителното подобряване на ефективността им. Като широколентови полупроводници тези компоненти естествено притежават по-ниско съпротивление и позволяват на електроните да се движат по-бързо през тях. Това води до около 60 % по-малки статични загуби на мощност в сравнение с традиционните алтернативи въз основа на кремний. Друго важно предимство е изключителната топлопроводимост на SiC. Тъй като той провежда топлинна енергия изключително ефективно, инженерите могат действително да намалят размерите на модулите за управление на мощността, без да се налага използването на громоздките топлоотводи, характерни за по-старите конструкции. За производителите на автомобили, които търсят нови граници на възможното, тази комбинация от намалени загуби и компактни формфактори директно допринася за по-дълги разстояния между зарежданията и значително по-опростени системи за охлаждане като цяло.

Високоскоростна превключвателна способност за напреднали PWM и високочестотно преобразуване на мощност

Превключването в наносекунди позволява DC-DC преобразуватели с честота над 1 MHz, без да се жертва ефективността

Съвременната технология на MOSFET транзисторите позволява превключване между състоянията за по-малко от 15 наносекунди, което осигурява надеждна работа на постояннотоковите преобразуватели (DC-DC) на честоти над 1 MHz. По-бързото превключване означава, че можем действително да намалим размерите на големите кондензатори и индуктори с около половината до две трети, като все пак запазваме ефективност над 95 % дори при промени в товара. Някои по-нови конструкции с напреднали „канални“ структури намаляват заряда на затвора под 10 нанокулона, което помага да се предотвратят опасните явления на „пробив през затвора“ (shoot-through), когато превключването става прекалено бързо. GaN MOSFET транзисторите са добър пример: според изданието Power Electronics Europe от миналата година те намаляват загубите при превключване с около 40 % в сравнение с традиционните кремниеви компоненти в постояннотокови захранващи блокове за сървъри, работещи на висока честота — 1,2 MHz. Освен това по-ниските стойности на входната и изходната капацитетност водят и до по-малко проблеми с превишаване на напрежението. Това дава възможност на проектиращите да намалят размерите на магнитните компоненти, без да се безпокоят от проблеми с прегряването — нещо, което доскоро беше много трудно за постигане.

Балансиране на скоростта и електромагнитните смущения: стратегии за проектиране на чисто превключване в захранващите шини на системите ADAS

Когато става дума за автомобилни системи ADAS, онези изключително бързи ключове, които могат да достигнат над 100 волта на наносекунда, създават сериозни проблеми с електромагнитните смущения (ЕМС). Инженерите трябва внимателно да избират подходящите резистори за затвора, тъй като те контролират скоростта на промяна на напрежението, което помага да се предотвратят нежелани осцилации, без обаче да забавят прекалено много процеса. За справяне с онези досадни върхове на напрежение при изключване на компонентите се използват гасителни вериги (snubber circuits). Междувременно прокарването на проводниците като усукани двойки в екранирана обвивка намалява проблемите с емисиите. Най-новата технология, която използва модулация с разпръснат спектър, действително намалява пиковите нива на ЕМС с около 12–15 децибела според стандарта CISPR от миналата година. Това има голямо значение, тъй като поддържането на шума под 30 миливолта в системи с 48 волта е абсолютно критично за осигуряване на ясни сигнали от LiDAR по време на важни шофьорски ситуации, когато безопасността зависи от точните показания.

Робустност и надеждност в изискващи среди за управление на мощността

Мащабируеми номинални напрежения (20 V – 1,7 kV) и оптимизация на областта за безопасна работа (SOA) за системни архитектури от 12 V до 800 V

Технологията MOSFET обхваща впечатляващ диапазон от напрежения — от около 20 волта за основни компоненти с логическо ниво до мощни версии с 1700 волта, използвани в тежката индустрия. Тези компоненти работят добре в различни системни архитектури — като стандартните 12-волтови електрически системи на автомобили, 48-волтовите конфигурации, срещани в някои хибридни превозни средства, и дори напредналите 800-волтови платформи, използвани в съвременните електромобили. Областта на безопасна работа (SOA) е внимателно проектирана, за да предотврати опасни случаи на прегряване и да поема неочаквани вълни на напрежение. Според последни индустриални изследвания от 2023 г. този вид защита намалява отказите при тежки експлоатационни условия с около тридесет процента или повече. Това, което прави тези устройства толкова ценни, е способността им да осигуряват стабилна работа при променящи се товарни условия — нещо абсолютно критично за инверторите в слънчеви и вятърни енергийни системи, които трябва да се справят с постоянно променящи се мощностни изходи, като едновременно поддържат надежден контрол върху напрежението.

Иновации в термичното управление: пакети с медно покритие и термични виа на печатни платки, удължаващи живота при импулсни натоварвания

По-добри решения за термично опаковане, включително изводи с медно покритие и плътно разположени термични виа на печатни платки, наистина подобряват отвеждането на топлина, когато компонентите работят в импулсен режим. Това може да намали температурата в точката на преход (junction temperature) в пиковете с около 40 процента. Технологията дава изключителни резултати при осигуряване на надеждна работа в тежки термични условия, като например в двигателни задвижвания и високочестотни преобразуватели на мощност. Тези системи често се изправят пред внезапни промени в натоварването, които почти мигновено водят до образуване на горещи точки. Когато материалите по-добре провеждат топлина, те по-дълго се запазват преди разрушаване, което означава, че оборудването остава функционално с течение на времето. Дори в критични среди, където отказът е недопустим — например в заводи с автоматизирани производствени линии или в големи центрове за обработка на данни, които разполагат със сървъри, — тези подобрения правят всичката разлика за поддържане на производителността без неочаквани повреди.