Feszültségvezérelt működés: alacsony fogyasztású, magas bemeneti impedanciájú kapcsolás

Hogyan teszi lehetővé az elszigetelt kapu a statikus kapubemeneti áram teljes hiányát és a minimális meghajtó teljesítményt

Mi teszi olyan különlegessé a MOSFET-eket? Nos, rendelkeznek egy kiváló tulajdonsággal: a vezérlőelektróda (gate) szigetelt, általában szilícium-dioxidból készül, így gyakorlatilag végtelen bemeneti impedanciájuk van. Miután a vezérlőelektródát feltöltötték vagy lemerítették, a rajta keresztül nem folyik többé egyenáram. Ez azt jelenti, hogy gyakorlatilag nulla statikus vezérlőelektróda-áram folyik folyamatosan, és így semmilyen teljesítményt sem veszítünk el, amikor a rendszer nyugalmi állapotban van. A legtöbb energia csak akkor kerül felhasználásra, amikor az eszköz állapotváltást végez – lényegében a vezérlőelektróda-kapacitás feltöltésére. Nézzük meg a számokat: ha valaki egy 10 nC-os vezérlőelektróda-töltésű MOSFET-et kb. 100 kHz-es frekvencián szeretne meghajtani, akkor körülbelül 10 mW-os meghajtóteljesítményre van szüksége. Összehasonlítva a régi bipoláris tranzisztorokkal, ebben a hatékonysági szempontból éjszaka és nappal van a különbség. Ennek az alacsony teljesítményigénynek köszönhetően a mérnökök közvetlenül csatlakoztathatják ezeket a mikrovezérlőkhöz extra pufferalkotóelemek nélkül, ami lényegesen egyszerűbbé teszi a rendszertervezést.

Valós világbeli hatás: Logikaszintű MOSFET-ek az MCU GPIO-terhelés csökkentése érdekében az autók testvezérlő moduljaiban

Egyre több autóipari mérnök logikaszintű MOSFET-eket használ, amelyek már 3,3–5 V feszültséggel is működnek, így közvetlenül csatlakoztathatók a karosszériavezérlő modulokban található mikrovezérlő GPIO-csapokhoz. Ez a megközelítés kiküszöböli az extra áramerősítő meghajtó IC-k szükségességét, amikor például autóvilágításokat, kis motorokat vagy mágneses szelepeket kell vezérelni. Nézzük meg, mi lehetséges ma már: egy egyszerű GPIO-csúcs képes 2 A terhelés kapcsolására 12 V-on – egy feladat, amely korábban hagyományos reléket igényelt, amelyek csak várakozási állapotban is 50–100 mA áramot fogyasztottak. A GPIO-csapokon átfolyó áramigény csökkenése több mint 95 százalékos, ami azt jelenti, hogy a nyomtatott áramkörök lényegesen vékonyabbak lehetnek, a rendszerek általános gyártási költsége csökken, és az akkumulátorok élettartama is megnő. Ezek az előnyök jelenleg különösen fontosak, mivel az elektromos járműveket gyártó cégek előretörnek új, 48 V-os architektúrájú terveikkel, ahol minden hatékonyságnövelő lépés számít a hatótávolság növelése és a teljesítmény javítása érdekében.

Teljesítményhatékonyság: Ultraalacsony Rds(on) és minimális vezetési veszteségek

Árok- és szupercsomópontos MOSFET-ek, amelyek 1 mΩ-nál kisebb Rds(on) értéket érnek el nagyáramú, alacsony veszteségű működéshez

A Power Electronics Journal című szakfolyóiratban 2023-ban megjelent, legfrissebb kutatás szerint a mai MOSFET-ek teljes teljesítményveszteségének körülbelül 45%-a kizárólag a vezetésből ered. Ezért az ellenállásérték ultraalacsony szinten tartása elengedhetetlenül fontos a hatékonyság érdekében. A gyártók nemrég jelentős előrelépéseket értek el fejlett árokstruktúrák és szupercsomópontos (superjunction) felépítések alkalmazásával, amelyek – jobb kapuformák és javított szilíciumgyártási technikák révén – képesek az Rds(on) értéket 1 milliohm alá csökkenteni. Ezek a fejlesztések csökkentik azokat a zavaró I²R-veszteségeket, amelyek akkor keletkeznek, amikor áram folyik az eszközön keresztül; ez különösen fontos nagy rendszerekben, például adatközpontok tápegységeiben, ahol jelentős terhelésekkel kell megbirkózni. Vegyünk egy tipikus példát: ha valaki egy 100 amperes áramot vezető áramkörben sikerrel csökkenti az Rds(on) értéket 5 milliohmról csupán 2 milliohmra, akkor ez idővel körülbelül 18 dollárt takarít meg az áramfelhasználásonkénti kilowattórára jutó villamosenergia-költségekből, miközben csökkenti a hőfelhalmozódást is, amely károsíthatja a nyomtatott áramkörön elhelyezett környező alkatrészeket.

SiC MOSFET-ek statikus teljesítményveszteség csökkentése több mint 60%-kal 48 V-os EV hajtásláncokban

A szilícium-karbid (SiC) MOSFET-ek jelentős hatással vannak a 48 V-os elektromos járművek hajtásláncaira, mivel kiváló hatásfok-javulást biztosítanak. Mint széles sávtiltású félvezetők ezek az alkatrészek természetes módon alacsonyabb ellenállással rendelkeznek, és lehetővé teszik az elektronok gyorsabb áthaladását. Ennek eredményeként a statikus teljesítményveszteség körülbelül 60%-kal alacsonyabb, mint a hagyományos szilíciumalapú megoldások esetében. Egy további nagy előny a SiC hőkezelési képessége. Mivel kiválóan vezeti a hőenergiát, a mérnökök ténylegesen kisebb méretű teljesítménymodulokat tudnak tervezni anélkül, hogy a régebbi konstrukciókon látható, nagy méretű hűtőbordákra lenne szükség. Az autógyártók számára, akik új határok felé tartanak, ez a csökkentett veszteség és a kompakt méret közvetlenül hozzájárul a töltés között megtett nagyobb menettávolsághoz, valamint lényegesen egyszerűbb hűtőrendszerekhez.

Magas sebességű kapcsolási képesség fejlett PWM- és magasfrekvenciás teljesítményátalakításhoz

Nanomásodperces kapcsolás lehetővé teszi a >1 MHz-es DC-DC átalakítók használatát anélkül, hogy a hatásfokot kompromittálnánk

A modern MOSFET-technológia kevesebb mint 15 nanoszekundum alatt vált állapotot, így a DC-DC átalakítók megbízhatóan működhetnek 1 MHz feletti frekvencián. A gyorsabb kapcsolás lehetővé teszi, hogy azokat a nagy kondenzátorokat és tekercseket valójában kb. felére vagy két harmadára csökkentsük, miközben a hatásfok továbbra is 95 % feletti marad akkor is, ha a terhelés változik. Néhány újabb, fejlett árkályszerkezetet alkalmazó tervezés a vezérlőelektróda töltését 10 nanocoulomb alá csökkenti, amely segít megelőzni a veszélyes „shoot-through” eseményeket, amikor a kapcsolás túl gyorsan történik. A GaN MOSFET-ek jó példát szolgáltatnak: a Power Electronics Europe múlt évi számában megjelent cikk szerint a kapcsolási veszteségek körülbelül 40 százalékkal csökkennek a hagyományos szilícium alapú elemekhez képest azokban a nagyfrekvenciás szerver tápegységekben, amelyek 1,2 MHz-en üzemelnek. Az alacsonyabb bemeneti és kimeneti kapacitásértékek miatt kevesebb probléma adódik a feszültség túllendülésével is. Ez lehetővé teszi a tervezők számára, hogy a mágneses komponenseket kisebb méretűre méretezzék anélkül, hogy aggódniauk kellene a túlmelegedés miatti problémák miatt – egy olyan feladat, amely korábban valóban nehézkes volt.

A sebesség és az EMI egyensúlyozása: Tisztán kapcsoló áramellátási síkok tervezési stratégiái az ADAS rendszerekben

Amikor az autóipari ADAS rendszerekre kerül sor, azok a szupergyors kapcsolók, amelyek másodpercenként több mint 100 voltra képesek emelkedni, komoly EMI-problémákat okoznak. A mérnököknek nagyon óvatosan kell kiválasztaniuk a megfelelő kapu-ellenállásokat, mivel ezek szabályozzák a feszültségváltozás sebességét, így megakadályozzák a nem kívánt rezgéseket anélkül, hogy túlságosan lelassítanák a folyamatot. A komponensek kikapcsolásakor fellépő zavaró feszültségcsúcsok kezelésére a csillapító áramkörök (snubber circuits) kiválóan alkalmazhatók. Ugyanakkor a vezetékek párosan csavart elrendezése a páncélzat belsejében csökkenti a sugárzási problémákat. A legújabb, széles spektrumú modulációt alkalmazó technológia – az előző évi CISPR-szabványok szerint – valójában 12–15 decibelrel csökkenti a csúcs-EMI-szinteket. Ez különösen fontos, mivel a zajszint 48 V-os rendszerek esetében 30 millivolt alatt tartása elengedhetetlen a LiDAR-jel tisztaságának biztosításához olyan fontos vezetési helyzetekben, ahol a biztonság az pontos mérések megbízhatóságától függ.

Robusztusság és megbízhatóság igényes teljesítményvezérlési környezetekben

Skálázható feszültségértékek (20 V–1,7 kV) és a SOA optimalizálása 12 V-tól 800 V-ig terjedő rendszerarchitektúrákhoz

A MOSFET-technológia lenyűgöző feszültségtartományt ölel fel: a körülbelül 20 V-os alap logikaszintű alkatrészektől egészen az ipari nagyterheléses alkalmazásokban használt, erőteljes 1700 V-os változatokig. Ezek az alkatrészek jól működnek különböző rendszertervekben, például a szokásos 12 V-os autóelektromos rendszerekben, egyes hibrid járművekben alkalmazott 48 V-os konfigurációkban, sőt akár a modern elektromos autókban is megjelenő fejlett 800 V-os platformokon is. A biztonságos működési tartomány (SOA) pontosan úgy lett kialakítva, hogy megakadályozza a veszélyes túlmelegedést, és egyúttal kezelni tudja a váratlan feszültségcsúcsokat is. A 2023-as ipari kutatások szerint ez a fajta védelem körülbelül harminc százalékkal vagy még többel csökkenti a meghibásodások gyakoriságát nehéz üzemeltetési körülmények között. Az eszközök különösen értékesek azért, mert képesek konzisztens működést nyújtani változó terhelési körülmények mellett – ez pedig elengedhetetlenül fontos a nap- és szélenergiás inverterek számára, amelyeknek folyamatosan ingadozó teljesítménykimenetekkel kell megbirkózniuk, miközben megbízható feszültségszabályozást kell biztosítaniuk.

Hőkezelési innovációk: rézbevonatos csomagolások és nyomtatott áramkörök hővezető furatai a pulzáló terhelés alatti élettartam meghosszabbításáért

A jobb hőkezelési csomagolási megoldások – például a rézbevonatos vezetékek és a sűrűn elhelyezett nyomtatott áramkörök hővezető furatai – jelentősen javítják a hőelvezetést, amikor az alkatrészek impulzusos üzemmódban működnek. Ez körülbelül 40 százalékkal csökkentheti a csomópont maximális hőmérsékletét. A technológia kiválóan alkalmazható megbízható üzemeltetés biztosítására nehéz hőterhelési körülmények között, például motorhajtásoknál és nagyfrekvenciás teljesítményátalakítóknál. Ezek a rendszerek gyakran váratlan terhelésváltozásokkal küzdnek, amelyek szinte azonnal forró foltokat okoznak. Amikor az anyagok jobban vezetik a hőt, hosszabb ideig tartanak ki a meghibásodás előtt, így a berendezések hosszabb ideig maradnak működőképesek. Még olyan kritikus környezetekben is, ahol a meghibásodás nem megengedett – például automatizált gyártósorokat üzemeltető gyárakban vagy szervereket tartalmazó nagy adatközpontokban – ezek a fejlesztések döntően hozzájárulnak a megbízható teljesítmény fenntartásához váratlan leállások nélkül.