Ovládanie napätím: Spínanie s nízkou spotrebou energie a vysokou vstupnou impedanciou

Ako izolovaná brána umožňuje nulový statický prúd brány a minimálny výkon potrebný na ovládanie

Čo robí MOSFETy takými špeciálnymi? No, majú tú výbornú vlastnosť, že ich brána je izolovaná, zvyčajne z oxidu kremičitého, čo im poskytuje takmer nekonečnú vstupnú impedanciu. Keď sa brána nabije alebo vybije, cez ňu už nepreteká žiadny striedavý prúd. To znamená, že v podstate nepreteká žiadny statický bránový prúd po celý čas a keď sú komponenty v pokoji, nestráca sa žiadna energia. Väčšina energie sa spotrebuje len vtedy, keď sa zariadenie prepína medzi stavmi, teda v podstate pri nabití kapacity brány. Pozrime sa na čísla: ak niekto chce ovládať MOSFET s nábojom brány 10 nC pri frekvencii približne 100 kHz, potrebuje na ovládanie približne 10 mW. V porovnaní so staršími bipolárnymi riešeniami je to rozdiel ako deň a noc z hľadiska účinnosti. Vzhľadom na túto nízku požiadavku na výkon môžu inžinieri tieto komponenty pripojiť priamo k mikrokontrolérom bez potreby ďalších výstupných (bufferových) komponentov, čím sa celkový návrh systému výrazne zjednoduší.

Skutočný dopad v praxi: MOSFETy s logickou úrovňou na zníženie zaťaženia GPIO mikroovládača v automobilových moduloch riadenia karosérie

Stále viac automobilových inžinierov sa dnes obracia na MOSFETy s logickou úrovňou, ktoré pracujú len s napätím 3,3 až 5 V a ktoré sa môžu pripojiť priamo k vstupno-výstupným GPIO pinom mikrokontrolérov v moduloch riadenia karosérie. Tento prístup eliminuje celú komplikáciu potreby ďalších integrovaných obvodov (IC) na zosilnenie prúdu, keď je potrebné riadiť napríklad autoosvetlenie, malé motory alebo elektromagnetické ventily. Pozrite sa, čo je dnes možné: jeden jednoduchý GPIO pin dokáže prepínať zaťaženie až do 2 A pri napätí 12 V – niečo, čo predtým vyžadovalo tradičné relé, ktoré spotrebovávali v stave pohotovosti až 50 až 100 mA. Pokles požiadavky na prúd cez GPIO piny presahuje 95 percent, čo znamená, že dosky plošných spojov môžu byť výrazne tenšie, systémy sa všeobecne dajú lacnejšie vyrobiť a batérie tiež vydržia dlhšie. Tieto výhody sú v súčasnosti veľmi dôležité, pretože výrobcovia elektrických vozidiel (EV) pokračujú v rozvoji svojej novej generácie konštrukcií so 48 V architektúrou, kde každý percentuálny zisk účinnosti prispieva k predĺženiu dojazdu a zlepšeniu výkonu.

Účinnosť výkonu: Ultra-nízky Rds(on) a minimálne straty vodivosti

Trench a superuzlové MOSFETy dosahujúce Rds(on) pod 1 mΩ pre prevádzku s vysokým prúdom a nízkymi stratami

Podľa nedávneho výskumu uverejneného v časopise Power Electronics Journal v roku 2023 pripadá približne 45 % všetkých strát výkonu v dnešných MOSFEToch len na vodivosť. To znamená, že dosiahnutie extrémne nízkych hodnôt odporu je pre účinnosť absolútne kľúčové. Výrobcovia v poslednej dobe urobili veľký pokrok využitím pokročilých výrezových konštrukcií a štruktúr typu superjunction, ktoré umožňujú dosiahnuť hodnoty Rds(on) nižšie ako 1 miliohm vďaka lepšiemu tvaru brány a vylepšeným technikám výroby kremíka. Tieto zlepšenia znížia tie otravné straty I²R pri prechode prúdu cez zariadenie, čo je mimoriadne dôležité v rozsiahlych systémoch zaťažených veľkými zaťaženiami, napríklad v napájacích zdrojoch dátových centier. Vezmime si typický prípad, keď sa niekomu podarí znížiť hodnotu Rds(on) v obvode prenášajúcom prúd 100 A z 5 miliohmov na len 2 miliohmy. V dlhodobom horizonte to ušetrí približne 18 USD za každý kilowatthodinu spotrebovanej elektrickej energie a súčasne zníži tvorbu tepla, ktorá by mohla poškodiť susedné súčiastky na doske.

SiC MOSFETy znižujú statické výkonové straty v 48 V elektrických pohonných systémoch vozidiel o viac ako 60 %

Karbid kremíka (SiC) alebo SiC MOSFETy spôsobujú veľký rozruch v 48 V elektrických pohonných systémoch vozidiel vďaka významnému zlepšeniu účinnosti. Ako polovodiče s širokou zakázanou pásmovou medzerou majú tieto komponenty prirodzene nižší odpor a zároveň umožňujú rýchlejší pohyb elektrónov cez ne. To sa prejavuje približne o 60 percent nižšími statickými výkonovými stratami v porovnaní s tradičnými alternatívami na báze kremíka. Ďalšou veľkou výhodou je vynikajúca tepelná odolnosť SiC. Keďže tento materiál efektívne vedie tepelnú energiu, inžinieri môžu skutočne zmenšiť veľkosť výkonových modulov bez nutnosti používať tie objemné chladiče, ktoré sa nachádzajú v starších návrhoch. Pre automobilových výrobcov, ktorí sa snažia posúvať hranice technológií, táto kombinácia znížených strát a kompaktných rozmerov priamo prispieva k dlhšiemu dojazdu medzi nabíjaniami a výrazne jednoduchším celkovým chladiacim systémom.

Schopnosť rýchleho prepínania pre pokročilé PWM a vysokofrekvenčnú výkonovú konverziu

Prepínanie v nanosekundovom režime umožňuje DC-DC meniče s frekvenciou >1 MHz bez kompromisov s účinnosťou

Moderná technológia MOSFET umožňuje prepínanie medzi stavmi za menej ako 15 nanosekúnd, čo umožňuje spoľahlivý chod DC-DC meničov pri frekvenciách vyšších než 1 MHz. Rýchlejšie prepínanie znamená, že tieto veľké kondenzátory a induktory môžeme skutočne zmenšiť približne na polovicu až dve tretiny ich pôvodnej veľkosti, pričom účinnosť stále zostáva vyššia než 95 %, aj keď sa menia zaťaženia. Niektoré novšie návrhy s pokročilými drážkovými štruktúrami znížia náboj brány pod 10 nanokulombov, čo pomáha predchádzať nebezpečným javom tzv. „shoot-through“, ktoré vznikajú pri príliš rýchlych prepínacích procesoch. Dobrým príkladom sú MOSFETy na báze nitrideru galia (GaN), ktoré podľa časopisu Power Electronics Europe z minulého roka znížia prepínacie straty približne o 40 percent v porovnaní s tradičnými kremíkovými súčiastkami v týchto vysokofrekvenčných napájacích zdrojoch pre servery pracujúcich pri frekvencii 1,2 MHz. Nižšie hodnoty vstupnej a výstupnej kapacity navyše znižujú problémy s prekmitmi napätia. To umožňuje návrhárom zmenšiť magnetické súčiastky bez obáv z prehrievania – niečo, čo bolo doteraz veľmi ťažké dosiahnuť.

Vyváženie rýchlosti a EMI: Návrhové stratégie pre čisté prepínanie v napájacích zdrojoch systémov ADAS

Keď ide o automobilové systémy ADAS, tie extrémne rýchle prepínače, ktoré dosahujú napätie vyššie ako 100 voltov za nanosekundu, spôsobujú vážne problémy s elektromagnetickým rušením (EMI). Inžinieri musia veľmi pozorne vybrať vhodné hradlové odpory, pretože tieto riadia rýchlosť zmeny napätia a tak pomáhajú zabrániť nežiaducim kmitaniam bez nadmerného spomalenia prepínania. Na potlačenie tých otravných napäťových špičiek pri vypínaní komponentov sa ukazujú užitočné tlmiace obvody (snubber circuits). Medzitým použitie vodičov vo forme skrútených párov umiestnených v stínenej ochrane zníži problémy s vyžarovaním. Najnovšia technológia založená na modulácii so šírkou spektra (spread spectrum modulation) podľa štandardov CISPR z minulého roka skutočne zníži vrcholové úrovne EMI približne o 12 až 15 decibelov. To je veľmi dôležité, pretože udržanie úrovne rušenia pod 30 milivoltov v systémoch s napätím 48 V je absolútne kritické pre zachovanie čistých signálov LiDAR počas dôležitých jazdných situácií, keď závisí bezpečnosť od presných meraní.

Odolnosť a spoľahlivosť v náročných prostrediach riadenia výkonu

Škálovateľné napäťové hodnoty (20 V – 1,7 kV) a optimalizácia oblasti bezpečnej prevádzky (SOA) pre systémové architektúry s napätím 12 V až 800 V

Technológia MOSFET pokrýva pôsobivé napäťové rozsahy – od približne 20 V u základných komponentov pre logické úrovne až po výkonné verzie s napätím 1700 V, ktoré sa používajú v aplikáciách ťažkej priemyselnej výroby. Tieto komponenty dobre fungujú v rôznych návrhoch systémov, ako sú štandardné 12-voltové elektrické systémy automobilov, 48-voltové systémy nachádzajúce sa v niektorých hybridných vozidlách, ale aj pokročilé 800-voltové platformy používané v moderných elektrických automobiloch. Bezpečná prevádzková oblasť (SOA) bola dôkladne navrhnutá tak, aby zabránila nebezpečnému prehrievaniu a zároveň zvládla neočakávané napäťové rázy. Podľa nedávneho priemyselného výskumu z roku 2023 tento typ ochrany zníži počet porúch za náročných prevádzkových podmienok približne o tridsať percent alebo viac. To, čo robí tieto zariadenia tak hodnotnými, je ich schopnosť udržiavať konštantný prevádzkový režim pri meniacich sa podmienkach zaťaženia – čo je absolútne kritické pre striedavé meniče slnečnej a vetrovej energie, ktoré musia zvládať neustále sa meniace výstupné výkony a zároveň zabezpečovať spoľahlivú reguláciu napätia po celú dobu prevádzky.

Inovácie v oblasti tepelnej správy: balenie s medeným povlakom a tepelné prechody na DPS na predĺženie životnosti pri pulzných zaťaženiach

Vylepšené riešenia tepelnej ochrany, vrátane vodičov s medeným povlakom a husto usporiadaných tepelných prechodov na DPS, výrazne zvyšujú odvod tepla v prípade pulzného prevádzkového režimu komponentov. Tým sa môžu maximálne teploty v spojoch znížiť približne o 40 percent. Táto technológia výborne zabezpečuje spoľahlivý prevádzkový režim v náročných tepelných podmienkach, ako sú napríklad pohonné systémy motorov a vysokofrekvenčné meniče energie. Takéto systémy často čelia náhlym zmenám zaťaženia, ktoré takmer okamžite spôsobujú vznik horúčich miest. Keď materiály lepšie vedú teplo, trvajú dlhšie, kým nedôjde k ich degradácii, čo znamená, že zariadenia zostávajú funkčné po dlhšiu dobu. Dokonca aj v kritických prostrediach, kde je porucha neprijateľná – napríklad v továrňach s automatizovanými výrobnými linkami alebo v rozsiahlych dátových centrách s úložiskami serverov – tieto vylepšenia rozhodujúco prispievajú k udržaniu výkonu bez neočakávaných výpadkov.