MOSFET technologijos pagrindai energijos sistemose

MOSFET'ai, kurie reiškia Metalo-Oksido puslaidininkio lauko efekto tranzistorius, veikia kaip įtampa valdomi jungikliai, kurie valdo, kaip elektros srovė teka iš drenažo iki šaltinio per tai, ką vadiname vartų elektrodu. Tai, kas daro šiuos komponentus specialiais, yra jų sluoksninė konstrukcija, sudaryta iš metalo vartų, izoliuojančio oksido sluoksnio, taip pat tų legiruotų puslaidininkio sričių. Tai leidžia labai tikslų valdymą aukštos galios grandinėse, beveik nešvaistant energijos. Palyginti su senesniais bipoliniais tranzistoriais, MOSFET'ams veikiant vartams reikia beveik nulinės srovės. Toks bruožas daro juos ypač gera pasirinkimu, kai reikia valdyti energijos valdymo užduotis, kur svarbu tiek efektyvumas, tiek sistemos gebėjimas keisti mastelį priklausomai nuo poreikių.

N-kanalų MOSFET'ai dominuoja šiuolaikinėse sistemose dėl jų mažesnio įjungimo varžos ( Rdson ) ir puiki elektronų judumo savybės, kurios sumažina laidumo nuostolius didelės jėgos srovės aplinkoje, tokioje kaip nuolatinės srovės keitiklių. Nebuvimas mažumos krūvio kaupimo leidžia greitesnį jungimo greitį, kuris yra kritiškai svarbus aukštos frekvencijos veikimui atnaujinančiose energijos inversininkuose ir pramonės variklių valdikliuose.

Kaip galios MOSFET tranzistoriai leidžia efektyviai keisti ir jungti energiją

Dėka savo greito perjungimo savybių ir mažo pasipriešinimo, kai teka srovė, galios MOSFET tranzistoriai pasiekia apie 98 % naudingumo naudojant energiją. Naudojant juos saulės inverteriuose, šie komponentai padeda sumažinti nereikalingas energijos nuostatas, atsirandančias keičiant nuolatinę srovę į kintamąją, o tai daugeliu atvejų padidina visos sistemos naudingumą. Be to, praėjusiais metais paskelbti tyrimai parodė kažką įdomaus. Buvo nustatyta, kad kai gamintojai koreguoja MOSFET perjungimo dažnį elektromobilių įkrovikliuose, tai iš tikrųjų padeda sumažinti įkroviklio įrangos perkaistą apie 23 procentus. Be to, šiuo būdu mažėja ir švaistomos energijos kiekis.

Pagrindinės naujovės apima:

• Šilumos valdymo konstrukcijos , tokios kaip varinės kliptų pakuotės, kurios šildo 40 % greičiau nei laidų sujungimo alternatyvos.
• Plačios juostos suderinamumas , leidžiantis integruoti su silicio karbido (SiC) pagrindu pagamintomis plokštėmis, kad būtų užtikrinta atsparumas aukštoje temperatūroje.

Šie patobulinimai tvirtai įtvirtina MOSFET tranzistorius kaip pagrindinius komponentus galios valdymo aplikacijose, suteikiant pusiausvyrą tarp efektyvumo, ilgaamžiškumo ir kainos efektyvumo.

Maksimalus jungimo efektyvumas ir aukštos dažnio našumas

MOSFET grandinėse esančio jungimo efektyvumo principai

MOSFET jungimo efektyvumo maksimalizavimas iš esmės priklauso nuo šių erzinančių momentinių galios nuostolių mažinimo, kai įrenginys perjungia būsenas. Čia išsiskiria dvi pagrindinės sąvokos: drenažo-šaltinio įtampos varža (Rds(on) reikšmė) daro įtaką galios nuostoliams, kai teka srovė, o vartų krūvis (Qg) nulemia, kiek energijos reikia paduoti į vartus. Geriausiam našumui inžinieriai dažnai naudoja pažengusias grandinės schemas, tokias kaip sinchroniniai buck keitikliai, kurie gali kur kas greičiau perjungti būsenas. Be to, pasiekta pažanga vartų valdymo technologijose, kur prognozuojantys algoritmai padeda tiksliai sureguliuoti šiuos mirusius intervalus, kad būtų išvengta pavojingų komponentų sugadinančių šokinių sąlygų.

Aukštos dažnio veikla nuolatinės srovės keitikliuose ir maitinimo šaltiniuose

Perjungimas aukštais dažniais nuo 500 kHz iki 5 MHz nuolatinės srovės keitikliuose gali sumažinti pasyviųjų komponentų naudojimą net 60 %. Tai leidžia kurti kompaktiškesnius maitinimo šaltinius, kurie puikiai telpa į duomenų centrų stendus ir pramoninę įrangą, kur plotas yra svarbus. Dirbdami su tokiais dizainais, inžinieriai turi atkreipti dėmesį į erzinančias parazitines talpines problemas ir odos sluoksnio problemas savo PCB išdėstyme. Tinkamas plokštės išdėstymas šiuo atveju yra labai svarbus. Gera žinia yra ta, kad rezonansinės grandinės, tokios kaip LLC keitikliai, padeda susidoroti su erzinančiais įtampos šokiais be našumo praradimo, net kai veikia virš 1 MHz. Daugelis gamintojų nusisuka į šiuos sprendimus, nes jie siūlo tiek našumo privalumus, tiek vietos taupymą vis labiau užkimštose elektroninėse aplinkose.

Perjungimo greičio ir elektromagnetinio triukšmo (EMI) balansas

Greitesnio jungimo be elektromagnetinio triukšmo padidinimo pasiekiamas sudėtingai balansuojant grandinės dizaino ir valdymo metodus. 2023 metų tyrimai parodė, kad koreguojant baigtinio valdymo rinkinio modelio prognozavimo valdymo metodą, jungimo energijos nuostoliai sumažėja apie 28 procentus, išlaikant reikiamą dažnį. Tuo pačiu metu, nulinio įtampos jungimo įgyvendinimas pašalina įtampos ir srovės pokyčių metu atsirandančius susidūrimus, sumažinant elektromagnetinį triukšmą apie 15 dBµV dažnių diapazone nuo 2 iki 30 MHz. Šių technikų vertė yra ta, kad jos veiksmingos dažnių diapazone nuo kilohercų iki megahercų. Tai ypač svarbu transporto priemonėse ir žaliosios energijos sistemose, kur būtina užtikrinti atitikimą CISPR 32 standartui dėl elektromagnetinio triukšmo.

Vartojimo nuostolių mažinimas ir terminio našumo optimizavimas

Vidinės energijos nuostoliai ir žemo įtampos varžos (Rdson) svarba

Pagal naujausius Power Electronics Journal tyrimus, vidinės energijos nuostoliai sudaro apie 45 % visų energijos nuostolių sistemuose, kuriose naudojami MOSFET tranzistoriai. Tai daro žemą įtampos varžą (Rdson) labai svarbia, kad būtų užtikrintas geras našumas. Mažesnė Rdson reiškia mažesnes I kvadratu R nuostolius, kai srovė teka per sistemą, o tai savo ruožtu reiškia geresnį efektyvumą, pavyzdžiui, DC-DC keitikliuose ir variklių valdymo sistemose. Pastaruoju metu gamintojai aktyviai tobulina pažengusią silicio MOSFET technologiją, siekdami sumažinti Rdson iki mažesnės nei 1 miliohm, dėl tobulintų griovio vartų konstrukcijų ir plonesnių plokštelių. Paimkime, pavyzdžiui, elektrinių automobilių keitiklius – sumažinus Rdson nuo 5 iki 2 miliohmų 100 amperų sistemoje, galima kasmet sumažinti energijos švaistymą apie 18 dolerių sumą vienam kilovatvalandžiui, taip sutaupant lėšų ir mažinant šilumos išsiskyrimą.

Šilumos valdymo strategijos aukštos galios MOSFET konstrukcijoms

Veiksmingam šilumos sklaidymui reikia trijų aspektų požiūrio:

Strategija	Patalpa	Viešumo pavyzdys
Medžiagos pasirinkimas	25% mažesnis terminis pasipriešinimas	Variniu apvalkalu aptrauktos PCB su keraminiais pagrindais
Išplanavimo optimizavimas	15°C mazgo temperatūros sumažėjimas	Perleistų MOSFET elementų išdėstymas orui cirkuliuoti
Aktyvus aušinimas	40% padidėjęs šilumos išsisklaidymas	Mikrokanalų skysčio aušinimo sistemos

Naujos pakuotės technikos, tokios kaip dvipusis aušinimas ir sinterinės sidabrinės mikroschemų tvirtinimo technologijos leidžia 30% didesnis nuolatinės srovės reitingas lyginant su tradiciniais dizainais. Inžinieriai vis dažniau šias metodus derina su realaus laiko termalinio stebėjimo mikroschemomis, kad būtų išvengta termalinio nekontrolavimo svarbiuose energijos tiekimo sistemose.

Plačios juostos puslaidininkų technologijų tobulinimas: SiC ir GaN tranzistorai

Silicijaus karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN) tranzistorų technologijos

Silicijaus karbido (SiC) ir galio nitrato (GaN) MOSFET tranzistorių platus juostos plotis suteikia jiems tikrą pranašumą lyginant su tradiciniais silicio elementais, valdant energiją. Šių medžiagų juostų plotis yra daug didesnis nei įprasto silicio. Pavyzdžiui, SiC yra apie 3,3 eV, o GaN – apie 3,4 eV, lyginant su silicio vos 1,1 eV. Tai reiškia, kad jie gali išlaikyti įtampas virš 1200 V net tada, kai jų vidutinė temperatūra pakyla virš 200 laipsnių Celsijaus. Ypač įdomus GaN yra dėl jo elektronų judumo, kuris yra maždaug 2000 cm² per voltą sekundėje, lyginant su silicio maždaug 1400 cm² per voltą sekundėje. Didesnis judumas leidžia greitesnį jungimo laiką DC-DC keitiklio aplikacijose. Rezultatas? Fotovoltinės keitiklių savybės taip pat gerėja žymiai, pranešimų duomenimis, laikini nuostoliai sumažėja net 60 procentų kai kuriais atvejais.

Našumo palyginimas: SiC ir GaN prieš tradicinius silicio MOSFET tranzistorius

Parametras	Silicio MOSFET	SiC MOSFET	GaN HEMT
Perjungimo dažnis	≈100 kHz	200-500 kHz	1-10 MHz
Pratekimo nuostoliai	Aukštas	40 % mažiau	75 % mažiau
Šilumos laidumas	150 W/m·K	490 W/m·K	130 W/m·K

Aukščiau pateikta lentelė paaiškina, kodėl platbandžių prietaisų naudingumo koeficientas 10 kW pramonės maitinimo šaltiniuose siekia 98,5 %, palyginti su 95 % naudingumo koeficientu silicio atveju. Dėl mažesnio vartų krūvio GaN leidžia 3 kartus sumažinti EV įkrovimo įrenginių magnetinių komponentų dydį, išlaikant 40 % mažesį elektromagnetinio triukšmo išmetimą.

Kaina ir efektyvumo kompromisiniai variantai naudojant platųjuju juostą puslaidininkius

SiC moduliai kainuoja maždaug 2–4 kartus daugiau nei standartiniai silicio MOSFET tranzistoriai, tačiau jie sumažina visos sistemos kainą maždaug 15 % saulės elektrinėms, nes reikia mažesnių šilumos išsklaidymo radiatorių ir mažiau reikia papildomų komponentų. Pernai paskelbtais tyrimais nustatyta, kad serveriai, naudojantys GaN technologiją, gali atsipirkti per 18 mėnesių dėl 4 % efektyvumo padidėjimo esant maksimaliai apkrovai. Tačiau inžinieriai, dirbantys prie tokių projektų, susiduria su realiomis problemomis dėl patikimumo, ypač drėgnose vietose. Todėl daugelis gamintojų vis dar tebesirenka senąjį silicio sprendimus, nepaisant entuziazmo dėl naujesnių medžiagų.

MOSFET taikymas atsinaujinančioje energijoje ir elektriniuose automobiliuose

MOSFET saulės keitikliuose, vėjo sistemose ir baterijų energijos kaupikliuose (BESS)

MOSFET tranzistoriai atlieka svarbų vaidmenį elektros jungikliavimo procesuose, kurie vyksta įvairiose atsinaujinančios energijos sistemų dalis. Pvz., saulės inverteriuose šie įrenginiai valdo nuolatinės srovės konvertavimą į kintamąją srovę beveik 100 % efektyvumu, o tai reiškia daug mažesnes energijos eikvojimo sąnaudas. Vėjo jėgainės taip pat labai priklauso nuo MOSFET technologijų, kurios naudojamos valdant mentelių kampus ir avarinio stabdymo funkcijas, be to, jos suteikia gerą apsaugą nuo įtampos šuolių, kurie gali sugadinti įrangą. Kalbant apie baterijų kaupiklių sprendimus, MOSFET padeda valdyti baterijų įkrovimo ir iškrovimo procesus, išlaikant tinkamą temperatūrą dėl integruotų šilumos valdymo savybių. Pagal naujausius rinkos ataskaitas, maždaug ketvirtadalis visų šių dienų parduodamų maitinimo MOSFET tenka atsinaujinančios energijos projektams, kas rodo, koks sparčiai plečiasi ši sektorius. Jų vertė nulemta gebėjimu greitai junginėti maitinimą, leidžiant elektros tinklams sklandžiai valdyti nepastovius energijos šaltinius, tokius kaip vėjas ir saulė, tiksliai kontroliuojant įtampas ir pašalinant nereikalingą elektros triukšmą.

Elektros energijos valdymas elektrinėse transporto priemonėse ir įkrovimo infrastruktūroje

Šiuolaikiniai elektriniai automobiliai naudoja MOSFET masyvus, kad išgautų maksimalią energijos sistemų naudą. Iš šios technologijos naudos gauna trys pagrindinės sritys: traukos keitikliai paima nuolatinę srovę iš baterijų ir paverčia ją į trimis fazėmis kintamąja srove motams, prarandant mažiau nei 2% energijos procese. Palubiniai įkrovikliai veikia kitaip, tačiau yra tokie pat efektyvūs, naudodami specialius MOSFET tranzistorius, vadinamus sinchroniniais lygintuvais, kurie keičia kintamąją srovę į nuolatinę daugiau nei 95% efektyvumu. Taip pat yra dvikryptis nuolatinės srovės keitiklis, kuris valdo tiekimą tiek 48 V, tiek 12 V sistemoms automobilyje. Kai kalba eina apie įkrovimo stotis, jose faktiškai naudojama kelių MOSFET tranzistorių darbas kartu, kad būtų kontroliuojamas elektros srautas greito įkrovimo metu, kai galia gali siekti nuo 200 iki 500 kilovatų. Tokios pažengusios energijos tiekimo sistemos padeda išlaikyti temperatūrą net esant didelėms srovėms. Rezultatas? Įkrovimo laikas žymiai sumažėja lyginant su senesnėmis modeliais, kartais sumažinant laukimo laiką net perpus, be baterijų elementų pažeidimo ilgainiui.

Atvejo analizė: didinant MOSFET integravimą naujos kartos elektriniuose automobiliuose

Naujausių EV platformų plėtros rezultatai parodė transformuojančias MOSFET diegimo strategijas. Vienas naujos kartos prototipas padidino MOSFET tankį 70 % jo 800 V silicio karbido traukos keitiklyje, pasiekdamas 12 % didesnį sistemos naudingumo koeficientą visiškai apkraunant, lyginant su ankstesniais modeliais. Pagrindinės naujovės apėmė:

• Dvipusį aušinimo architektūrą, sumažinančią terminį pasipriešinimą (RθJA) 35 °C/W
• Integruotus srovės jutiklius, pašalinančius atskirus matavimo komponentus
• GaN technologijomis pagrįstas pagalbines energijos modulius, sumažinusius keitiklio tūrį 54 %
  Tai sumažino bendrus laidumo nuostolius iki <0,12 mΩ, tuo tarpu išvesties piko galia 300 kW buvo pasiekiama iš 23 % mažesnio korpuso nei pramonės standartai.

DAK

Kas yra MOSFET?

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) yra transistorto tipas, naudojamas elektroninių signalų stiprinimui arba jungimui.

Kodėl naudojant galios valdymui svarbiau rinktis MOSFET tranzistorius nei bipolius?

MOSFET tranzistoriams veikti reikia mažiau srovės, be to, jie siūlo geresnį efektyvumą ir mastelio pritaikymą galios valdymo uždaviniuose.

Kas yra SiC ir GaN MOSFET tranzistoriai?

SiC (silicio karbidas) ir GaN (galliumo nitridas) MOSFET tranzistoriai yra pažengę tranzistoriai, kurie žinomi dėl aukšto efektyvumo ir galios valdymo galimybių.

Kaip MOSFET tranzistoriai prisideda prie atsinaujinančios energijos sistemų?

MOSFET tranzistoriai padeda pagerinti efektyvumą keičiant ir valdant energiją saulės keitiklių, vėjo jėgainių bei baterijų kaupiklių sistemose.

Kokios kliūtys kyla pradedant naudoti platųjuju juostos puslaidininkius, tokius kaip SiC ir GaN?

Šie materilai gali būti brangesni ir kelti patikimumo problemas, ypač drėgnose aplinkose, lyginant su tradiciniais silicio tranzistoriais.