Spanningsgestuurde werking: schakelen met laag vermogen en hoge ingangsimpedantie

Hoe de geïsoleerde poort nul statische poortstroom en minimale aanstuurvermoeheid mogelijk maakt

Wat maakt MOSFET's zo bijzonder? Nou, ze hebben deze geweldige eigenschap dat de poort geïsoleerd is, meestal gemaakt van siliciumdioxide, waardoor ze bijna oneindige ingangsimpedantie hebben. Zodra de poort is opgeladen of ontladen, vloeit er geen gelijkstroom meer doorheen. Dat betekent dat er praktisch geen statische poortstroom loopt wanneer het apparaat in rust is, en we verspillen geen energie wanneer het systeem niets doet. Het grootste deel van de energie wordt alleen verbruikt wanneer het apparaat van staat wisselt, met name om de poortcapaciteit op te laden. Bekijk eens de cijfers: als iemand een MOSFET wil aansturen met een poortlading van 10 nC bij een frequentie van ongeveer 100 kHz, is daar ongeveer 10 mW aan aansturingsvermogen voor nodig. In vergelijking met die oude bipolaire opties is dit een wereld van verschil wat betreft efficiëntie. Vanwege dit lage stroomverbruik kunnen ingenieurs deze MOSFET's direct aansluiten op microcontrollers, zonder extra buffercomponenten te hoeven gebruiken, waardoor het ontwerp van het systeem over het algemeen veel eenvoudiger wordt.

Echt-wereldimpact: MOSFETs op logica-niveau die de belasting op de MCU-GPIO’s verminderen in automobiel-carrosseriebesturingsmodules

Steeds meer automotive engineers kiezen voor logica-niveau MOSFET’s die werken met slechts 3,3 tot 5 volt, zodat ze rechtstreeks kunnen worden aangesloten op de GPIO-pinnen van microcontrollers in body control modules. Deze aanpak elimineert de gehele complicatie van extra stroomversterkende driver-IC’s die anders nodig zijn om onder andere autolampen, kleine motoren of solenoïdekleppen aan te sturen. Bekijk wat nu mogelijk is: één eenvoudige GPIO-pin kan het schakelen van belastingen tot 2 ampère bij 12 volt aan, een functie die vroeger traditionele relais vereiste die al bij stilstand 50 tot 100 milliampère verbruikten om klaar te staan voor activering. De daling van het stroomverbruik via de GPIO-pinnen bedraagt zelfs meer dan 95 procent, wat betekent dat printplaten veel slanker kunnen worden ontworpen, systemen over het algemeen goedkoper zijn om te bouwen en accu’s ook langer meegaan. Deze voordelen zijn op dit moment van groot belang, nu fabrikanten van elektrische voertuigen doorgaan met hun nieuwe generatie 48-volt-architectuurontwerpen, waarbij elk beetje efficiëntie telt voor het verlengen van de actieradius en het verbeteren van de prestaties.

Vermogensefficiëntie: ultra-lage Rds(on) en minimale geleidingsverliezen

Trench- en superjunction-MOSFETs die een Rds(on) van minder dan 1 mΩ bereiken voor hoogstroom-, laagverliesbedrijf

Volgens recent onderzoek dat in 2023 werd gepubliceerd in het tijdschrift Power Electronics Journal is ongeveer 45% van alle vermogensverliezen in hedendaagse MOSFETs uitsluitend toe te wijten aan geleiding. Dat maakt het bereiken van extreem lage weerstandswaarden absoluut cruciaal voor efficiëntie. Fabrikanten hebben de laatste tijd grote vooruitgang geboekt met geavanceerde groefontwerpen en superjunction-structuren, waardoor Rds(on) dankzij verbeterde poortvormen en geavanceerdere siliciumproductietechnieken onder de 1 milliohm kan worden gebracht. Deze verbeteringen verminderen die vervelende I²R-verliezen wanneer stroom door het apparaat vloeit — een factor die vooral belangrijk is in grote systemen die zware belastingen verwerken, zoals voedingen voor datacenters. Neem als voorbeeld een typisch scenario waarin iemand Rds(on) in een circuit dat 100 ampère stroom voert, weet te verlagen van 5 milliohm tot slechts 2 milliohm. Op termijn levert dit een besparing op van ongeveer 18 dollar aan elektriciteitskosten per kilowattuur verbruikt, terwijl tegelijkertijd de warmteopbouw wordt verminderd, wat beschadiging van naburige onderdelen op de printplaat kan voorkomen.

SiC-MOSFET's verminderen statisch vermogensverlies met meer dan 60% in 48 V EV-voedingssystemen

Siliciumcarbide- of SiC-MOSFET's veroorzaken veel ophef in 48 volt elektrische voertuigvoedingssystemen dankzij hun opmerkelijke efficiëntieverbeteringen. Als breed-bandgap-halfgeleiders hebben deze componenten van nature minder weerstand en laten ze elektronen sneller door zich heen bewegen. Dit resulteert in ongeveer 60 procent minder statisch vermogensverlies vergeleken met traditionele siliciumgebaseerde alternatieven. Een ander groot voordeel is de uitstekende warmteafvoer van SiC. Omdat het warmte zo effectief geleidt, kunnen ingenieurs de afmetingen van stroommodules daadwerkelijk verkleinen zonder de omvangrijke koellichamen die we bij oudere ontwerpen zien. Voor automobielproducenten die grenzen willen verleggen, draagt deze combinatie van verminderde verliezen en compacte vormfactoren direct bij aan langere actieradius tussen oplaadbeurten en veel eenvoudiger koelsystemen in het algemeen.

Hoogwaardige schakelsnelheid voor geavanceerde PWM en hoogfrequente vermogensomzetting

Nanoseconde-schakelen maakt DC-DC-converters van >1 MHz mogelijk zonder inbreuk op het rendement

Moderne MOSFET-technologie kan in minder dan 15 nanoseconden tussen toestanden schakelen, waardoor DC-DC-converters betrouwbaar kunnen werken bij frequenties van meer dan 1 MHz. Door de snellere schakeling kunnen we die grote condensatoren en spoelen daadwerkelijk ongeveer de helft tot twee derde kleiner maken, terwijl het rendement nog steeds boven de 95% blijft, zelfs bij wisselende belastingen. Sommige nieuwere ontwerpen met geavanceerde groefstructuren verlagen de poortlading tot onder de 10 nanocoulomb, wat helpt om gevaarlijke ‘shoot-through’-gebeurtenissen te voorkomen wanneer er te snel wordt geschakeld. Neem bijvoorbeeld GaN-MOSFETs: volgens Power Electronics Europe van vorig jaar verminderen deze de schakelverliezen met ongeveer 40 procent ten opzichte van traditionele siliciumcomponenten in hoogfrequente serverspanningsvoorzieningen die werken bij 1,2 MHz. En dankzij lagere ingangs- en uitgangscapaciteitwaarden treden ook minder problemen met spanningsoverschrijding op. Dit stelt ontwerpers in staat om magnetische componenten te verkleinen zonder zich zorgen te hoeven maken over oververhitting — iets dat eerder bijna onmogelijk was.

Balans tussen snelheid en EMI: ontwerpprincipes voor schone schakeling in ADAS-voedingsrails

Bij automotive ADAS-systemen veroorzaken die supersnelle schakelaars, die spanningen van meer dan 100 volt per nanoseconde kunnen bereiken, ernstige EMI-problemen. Ingenieurs moeten de juiste poortweerstanden zorgvuldig kiezen, omdat deze de snelheid waarmee de spanning verandert, bepalen — wat helpt ongewenste trillingen te voorkomen zonder de schakelsnelheid te veel te vertragen. Voor het opvangen van die vervelende spanningspieken bij het uitschakelen van componenten zijn dempkringen (snubber circuits) zeer nuttig. Tegelijkertijd vermindert het gebruik van geïsoleerde, afgeschermde, tweedraads (twisted-pair) kabels de stralingsproblemen. De nieuwste technologie met spread-spectrum-modulatie verlaagt de piek-EMI-niveaus volgens de CISPR-normen van vorig jaar met ongeveer 12 tot 15 decibel. Dit is van groot belang, aangezien het ruisniveau onder de 30 millivolt moet blijven op 48-volt-systemen om duidelijke LiDAR-signalen te behouden tijdens cruciale rijomstandigheden, waarbij veiligheid afhankelijk is van nauwkeurige meetwaarden.

Robuustheid en betrouwbaarheid in veeleisende omgevingen voor sturing van vermogen

Schalbare spanningswaarderingen (20 V–1,7 kV) en SOA-optimalisatie voor systeemarchitecturen van 12 V tot 800 V

MOSFET-technologie bestrijkt een indrukwekkend bereik aan spanningen, beginnend bij ongeveer 20 volt voor basislogica-niveau-componenten tot en met krachtige 1700-volt-varianten die worden gebruikt in zware industriële toepassingen. Deze componenten functioneren goed in verschillende systeemontwerpen, zoals standaard 12-volt-auto-elektrische systemen, de 48-volt-opstellingen die voorkomen in sommige hybride voertuigen en zelfs de geavanceerde 800-volt-platforms die worden toegepast in moderne elektrische auto’s. Het veilig bedrijfsgebied (SOA) is zorgvuldig ontworpen om gevaarlijke oververhittingssituaties te voorkomen én onverwachte spanningspieken te kunnen opvangen. Volgens recent onderzoek uit 2023 in de branche vermindert dit soort bescherming storingen onder zware bedrijfsomstandigheden met ongeveer dertig procent of meer. Wat deze apparaten zo waardevol maakt, is hun vermogen om een consistente werking te behouden bij wisselende belastingsomstandigheden — een eigenschap die absoluut cruciaal is voor zonne- en windenergie-omvormers, die moeten omgaan met voortdurend wisselende vermogensafgifte terwijl ze tegelijkertijd een betrouwbare spanningsregeling handhaven.

Innovaties op het gebied van thermisch beheer: koperbeplated behuizingen en thermische via’s op PCB’s voor een langere levensduur onder pulsbelasting

Betere thermische verpakkingsoplossingen, waaronder koperbeplaatste aansluitdraden en dicht opeenliggende thermische via’s op de printplaat (PCB), verbeteren de warmteafvoer aanzienlijk wanneer componenten in pulsen werken. Dit kan de piektemperatuur op de junction met ongeveer 40 procent verlagen. Deze technologie werkt uitstekend om betrouwbare werking te garanderen in zware thermische omstandigheden, zoals bij motorbesturingen en hoogfrequente vermogensomzetters. Dergelijke systemen worden vaak geconfronteerd met plotselinge belastingswisselingen die bijna direct ‘hotspots’ veroorzaken. Wanneer materialen warmte efficiënter geleiden, nemen ze langer om te verslijten, wat betekent dat apparatuur gedurende een langere periode functioneel blijft. Zelfs in kritieke omgevingen waar storing geen optie is — zoals fabrieken met geautomatiseerde productielijnen of grote datacenters met servers — maken deze verbeteringen het verschil bij het handhaven van prestaties zonder onverwachte storingen.