Įtampa valdoma veiksma: mažos galios, aukštos įėjimo varžos perjungimas

Kaip izoliuota vartai užtikrina nulinę statinę vartų srovę ir minimalią valdymo galios sąnaudas

Kas daro MOSFET'us tokiais ypatingais? Na, jie turi puikią savybę – jų vartai izoliuoti, dažniausiai pagaminti iš silicio dioksido, todėl jie turi beveik begalinę įėjimo varžą. Kai vartai įkraunami arba iškraunami, per juos daugiau nebeteka nuolatinės srovės. Tai reiškia, kad beveik nėra statinės vartų srovės, kuri būtų pastoviai tekanti, ir kai prietaisas neveikia, energijos nešvaistoma. Dauguma energijos sunaudojama tik tada, kai prietaisas keičia būseną – esminiu būdu įkraunant vartų talpyklę. Pažvelkime į skaičius: jei kas nors nori valdyti MOSFET'ą su 10 nC vartų krūviu maždaug 100 kHz dažniu, jam reikės apie 10 mW valdymo galios. Palyginus su senaisiais bipoliniais tranzistoriais, ši efektyvumo skirtis yra kaip diena ir naktis. Dėl šio žemo galios sąnaudų reikalavimo inžinieriai gali jungti šiuos prietaisus tiesiogiai prie mikrovaldiklių be papildomų buferinių komponentų, todėl bendra sistemos projektavimo užduotis tampa žymiai paprastesnė.

Realus poveikis: loginio lygio MOSFET tranzistoriai mažina MCU GPIO apkrovą automobilių kūno valdymo moduliuose

Vis daugiau automobilių inžinierių dabar pasirenka loginio lygio MOSFET tranzistorius, kurie veikia tik su 3,3–5 V įtampa, kad juos būtų galima tiesiogiai prijungti prie mikrovaldiklių bendrojo paskirties įvesties/išvesties (GPIO) kontaktų kūno valdymo moduliuose. Šis požiūris pašalina visą papildomų srovės stiprinimo valdymo IC reikšmę kiekvieną kartą, kai reikia valdyti tokias sistemas kaip automobilio šviesos, mažos galios varikliai arba solenoidiniai voztuvai. Pažvelkite, ką šiuo metu galima pasiekti: vienas paprastas GPIO kontaktas gali perjungti apkrovas iki 2 A esant 12 V įtampai – tai anksčiau reikalavo tradicinių relės, kurios „laukdamos“ aktyvinimo sunaudodavo nuo 50 iki 100 mA srovės. Srovės poreikis per GPIO kontaktus sumažėja daugiau nei 95 procentų, todėl galima gaminti žymiai plonesnes spausdintųjų plokštų grandines, sistemos bendrai kainuoja mažiau, o baterijos taip pat ilgiau išlaiko įkrovą. Šios pranašumų reikšmė yra ypatingai didelė šiuo metu, kai elektromobilių gamintojai sparčiai plėtoja naujos kartos 48 V architektūros projektus, kur kiekvienas efektyvumo laimėjimas padeda padidinti važiavimo nuotolį ir pagerinti našumą.

Galingumo naudingumas: ultražemas Rds(on) ir minimalūs laidymo nuostoliai

Šulinėliai ir superjungties MOSFET tranzistoriai, pasiekiantys mažesnį nei 1 mΩ Rds(on) aukšto srovės, mažų nuostolių veikimui

Pagal 2023 m. žurnale „Power Electronics Journal“ paskelbtus naujausius tyrimus, šiandienos MOSFET’ų visų galios nuostolių apie 45 % kyla tik dėl laidumo. Tai daro itin žemų varžos reikšmių pasiekimą absoliučiai būtina efektyvumui užtikrinti. Pastaruoju metu gamintojai pasiekė didelių pasisekimų naudodami pažangias griovytės konstrukcijas ir superjungties struktūras, kurios dėl tobulintų valdymo elektrodų formos ir pagerintų silicio gamybos technologijų leidžia sumažinti Rds(on) reikšmę žemiau 1 miliohmo. Šie patobulinimai sumažina tas nepatogias I²R nuostolius, kai per įrenginį teka srovė, – tai ypač svarbu didelėse sistemose, kuriose tvarkoma didelė apkrova, pvz., duomenų centrų maitinimo šaltiniuose. Paimkime tipinį scenarijų, kai kažkas pavyksta sumažinti Rds(on) reikšmę nuo 5 miliohmų iki tik 2 miliohmų grandinėje, kuria teka 100 A srovė. Laikui bėgant tai sutaupo maždaug 18 JAV dolerių elektros energijos sąnaudų už kiekvieną suvartotą kilovatvalandę, taip pat sumažina šilumos kaupimąsi, kuris gali pažeisti plokštės šalia esančius komponentus.

SiC MOSFET tranzistoriai 48 V elektromobilių energijos sistemose sumažina statinę galios netekdą daugiau kaip 60 %

Silicio karbido (SiC) MOSFET tranzistoriai sukelia didelį poveikį 48 V elektromobilių energijos sistemoms dėl jų išskiltingo naudingumo pagerėjimo. Kaip plataus juostos tarpelio puslaidininkiai šie komponentai natūraliai turi mažesnį varžą ir leidžia elektronams judėti greičiau per juos. Tai reiškia apytiksliai 60 proc. mažesnę statinę galios netekdą lyginant su tradiciniais silicio pagrindu sukurtais analogais. Kitas svarbus privalumas – SiC puikus šilumos valdymas. Kadangi šis medžiagų tipas taip veiksmingai laiduoja šiluminę energiją, inžinieriai gali tikrai sumažinti galios modulių dydį be reikalingų stambių šilumos šalinimo radiatorių, kurie būdingi senesnėms konstrukcijoms. Automobilių gamintojams, siekiantiems išspausti maksimumą iš technologijų, šis kombinuotas pranašumas – sumažintos netekdos ir kompaktiškesni formos faktoriai – tiesiogiai prisideda prie ilgesnio nuvažiuojamo atstumo tarp įkrovimų bei žymiai supaprastintų aušinimo sistemų visumai.

Didelės našumo jungimo galimybė pažangiajam PWM valdymui ir aukštų dažnių galios keitimo sistemoms

Nanosekundžių perjungimas leidžia >1 MHz nuolatinės srovės–nuolatinės srovės keitiklius be efektyvumo kompromisų

Šiuolaikinė MOSFET technologija leidžia perjungtis tarp būsenų per mažiau nei 15 nanosekundžių, todėl nuolatinės srovės–kintamosios srovės keitikliai gali patikimai veikti dažniu virš 1 MHz. Greitesnis perjungimas reiškia, kad šiuos didelius kondensatorius ir induktorių galima sumažinti apie pusę–dvigubai, išlaikant naudingumo koeficientą aukštesnį nei 95 % net ir esant kintantiems apkrovos režimams. Kai kurie naujesni dizainai su pažangiomis griovytėmis struktūromis sumažina vartų krūvį iki mažiau nei 10 nanokulonų, kas padeda išvengti pavojingų „šaudymo per vieną“ (shoot through) įvykių, kai perjungimas vyksta per greitai. Pavyzdžiui, GaN MOSFET elementai – puikus to pavyzdys: jie sumažina perjungimo nuostolius maždaug 40 procentų lyginant su tradiciniais silicio elementais aukšto dažnio serverių maitinimo šaltiniuose, veikiančiuose 1,2 MHz dažniu, kaip nurodyta praeitais metais žurnale „Power Electronics Europe“. Be to, mažesnės įėjimo ir išėjimo talpos reikšmės taip pat sumažina įtampų viršukilimo problemas. Tai leidžia konstruktoriams sumažinti magnetinius komponentus, nebijant perkaitimo problemų – tai anksčiau buvo tikrai sunku pasiekti.

Svorio balansavimas tarp greičio ir EMI: projektavimo strategijos švariam perjungimui ADAS maitinimo linijose

Kai kalbama apie automobilių ADAS sistemas, tie labai greiti perjungikliai, kurie gali pasiekti daugiau kaip 100 voltų nanosekundėje, sukelia rimtų EMI problemų. Inžinieriams reikia atidžiai parinkti tinkamus vartų varžas, nes jos kontroliuoja įtampų pokyčių greitį, taip padedant išvengti netikėtų svyravimų, neperdaug sulėtinant veikimą. Norint susidoroti su nepageidaujamomis įtampų smūgio viršūnėmis, kai komponentai išsijungia, naudingi yra slopinamieji grandininiai elementai (snubber circuits). Tuo tarpu laidus vedant sukryžminais poromis apsauginėje apvalkale sumažėja spinduliavimo problemos. Naujausioji technologija, naudojanti spektrą išsiskleidžiančią moduliaciją (spread spectrum modulation), pagal praeitais metais paskelbtas CISPR normas sumažina maksimalų EMI lygį maždaug 12–15 decibelų. Tai ypač svarbu, nes 48 V sistemose triukšmo lygį būtina laikyti žemiau 30 milivoltų – tai absoliučiai būtina, kad LiDAR signalai liktų aiškūs svarbiomis važiavimo situacijomis, kai saugos užtikrinimas priklauso nuo tikslaus matavimo rezultatų.

Patikimumas ir patikimumas įvairiose reikalaujančiose galios valdymo aplinkose

Mastojamos įtampų klasės (20 V–1,7 kV) ir SOA optimizavimas 12 V–800 V sistemų architektūroms

MOSFET technologija apima įspūdingą įtampų diapazoną – nuo maždaug 20 V pradinėms loginio lygio sudedamosioms dalims iki galingų 1700 V versijų, naudojamų sunkiosios pramonės taikymuose. Šios sudedamosios dalys veikia gerai įvairiuose sistemos projektuose, pvz., standartinėse 12 V automobilių elektros sistemose, kai kuriose hibridinėse transporto priemonėse pasitaikančiose 48 V sistemose ir net pažangiose 800 V platformose, kurios naudojamos šiuolaikiniuose elektriniuose automobiliuose. Saugi veikimo zona (SOA) yra tiksliai suprojektuota tam, kad būtų išvengta pavojingų perkaitymo situacijų ir kad būtų galima susidoroti su netikėtomis įtampos viršukomis. Pagal 2023 m. naujausius pramonės tyrimus tokio tipo apsauga sumažina gedimų skaičių sunkiomis eksploatacijos sąlygomis maždaug trisdešimčia procentų ar daugiau. Šių įrenginių vertė ypač akivaizdi dėl jų gebėjimo palaikyti nuolatinę veikimą keičiantis apkrovos sąlygoms – tai absoliučiai būtina saulės ir vėjo energijos inverteriams, kurie turi prisitaikyti prie nuolat kintančių galios išėjimų, vienu metu užtikrindami patikimą įtampos valdymą.

Šilumos valdymo inovacijos: vario dengtos pakuotės ir PCB šiluminiai perėjimai, pratęstantys tarnavimo laiką impulsinėmis apkrovomis

Gerinti šilumos pakuotės sprendimai, įskaitant vario dengtus laidus ir tankiai išdėstytus PCB šilumos perėjimus, tikrai padidina šilumos šalinimą, kai komponentai veikia impulsais. Tai gali sumažinti maksimalią sandūros temperatūrą maždaug 40 procentų. Ši technologija puikiai tinka patikimam veikimui sunkiomis šiluminėmis sąlygomis, pvz., variklių valdymo sistemose ir aukšto dažnio maitinimo keitikliuose. Šios sistemos dažnai susiduria su staigiais apkrovos pokyčiais, kurie beveik iš karto sukuria karštųjų taškų zonas. Kai medžiagos geriau laiduoja šilumą, jos ilgiau išlieka veikiančios, nepradėdamos degraduotis, todėl įranga ilgiau išlaiko savo funkcionalumą. Net kritinėse aplinkose, kur gedimas yra nepriimtinas – pvz., gamyklose, kuriose automatizuotos gamybos linijos, ar didžiuliuose duomenų centrų serverių skyriuose – šie pagerinimai lemia visą skirtumą, užtikrindami stabilų veikimą be netikėtų gedimų.