Керування за напругою: перемикання з низьким споживанням потужності та високим вхідним опором

Як ізольована затворна структура забезпечує нульовий статичний струм затвора й мінімальну потужність керування

Що робить MOSFET-транзистори настільки особливими? Справа в тому, що вони мають чудову особливість: затвор ізольований, зазвичай шаром діоксиду кремнію, що забезпечує їм практично нескінченну вхідну імпедансність. Після того як затвор заряджається або розряджається, через нього більше не протікає постійний струм. Це означає, що у режимі спокою практично відсутній постійний струм затвора, і ми не витрачаємо енергію, коли пристрій перебуває в стані очікування. Більша частина енергії витрачається лише під час перемикання стану пристрою — тобто для заряджання ємності затвора. Розглянемо цифри: якщо хтось хоче керувати MOSFET-транзистором із зарядом затвора 10 нКл на частоті приблизно 100 кГц, потрібна потужність керування становитиме близько 10 мВт. У порівнянні зі старими біполярними транзисторами це, по суті, ніч і день з точки зору ефективності. Завдяки такій низькій потужності керування інженери можуть підключати ці транзистори безпосередньо до мікроконтролерів без додаткових буферних компонентів, що значно спрощує загальне проектування системи.

Реальний вплив: MOSFET-транзистори логічного рівня, що зменшують навантаження на GPIO-виводи мікроконтролера в модулях кузовного керування автомобіля

Усе більше інженерів-автомобілістів звертаються до MOSFET-транзисторів логічного рівня, які працюють при напрузі всього 3,3–5 В для безпосереднього підключення до виводів GPIO мікроконтролерів у модулях керування кузовом. Цей підхід усуває необхідність у додаткових ІС-драйверах підсилення струму щоразу, коли потрібно керувати такими компонентами, як автомобільні фари, малопотужні двигуни або соленоїдні клапани. Ось що тепер можливо: один простий вивід GPIO здатен керувати навантаженням до 2 А при 12 В — раніше це вимагало застосування традиційних реле, які споживали від 50 до 100 мА навіть у стані очікування активізації. Зниження струму, що споживається виводами GPIO, перевищує 95 %, що дозволяє виготовлювати плати друкованих схем значно тоншими, загальна вартість систем зменшується, а термін роботи акумуляторів також зростає. Ці переваги мають особливе значення саме зараз, оскільки виробники електромобілів (EV) розгортають нове покоління архітектур на 48 В, де кожен відсоток ефективності має вирішальне значення для збільшення запасу ходу та покращення експлуатаційних характеристик.

Ефективність енергоспоживання: наднизький Rds(on) і мінімальні втрати на провідність

MOSFET-транзистори з борозенковою та супервузловою структурою, що забезпечують Rds(on) менше 1 мОм для роботи з високим струмом і низькими втратами

Згідно з нещодавнім дослідженням, опублікованим у журналі Power Electronics Journal ще в 2023 році, близько 45 % усіх втрат потужності в сучасних MOSFET-транзисторах виникає виключно через провідність. Тому досягнення наднизьких значень опору є абсолютно критичним для ефективності. Останнім часом виробники досягли значних успіхів завдяки передовим конструкціям «жолобів» та структурам «супервузлів», які дозволяють знизити Rds(on) нижче 1 міліома завдяки поліпшеним формам затвора й удосконаленим технологіям виготовлення кремнієвих напівпровідників. Ці покращення зменшують ті неприємні втрати, пропорційні I²R, коли струм проходить через прилад, що має велике значення в потужних системах, що обробляють великі навантаження, наприклад, у джерелах живлення центрів обробки даних. Розглянемо типовий сценарій: якщо комусь вдається знизити Rds(on) у схемі з 5 міліомів до всього 2 міліомів при струмі 100 ампер, то з часом це дозволяє заощадити приблизно 18 доларів США на кожен спожитий кіловат-година електроенергії, а також зменшити нагрівання, що може пошкодити сусідні компоненти на платі.

Карбід кремнію (SiC) MOSFET-транзистори знижують статичні втрати потужності в електричних силових системах EV на 48 В більш ніж на 60 %

Карбід кремнію (SiC) або MOSFET-транзистори на його основі набувають все більшої популярності в електричних силових системах транспортних засобів із напругою 48 В завдяки вражаючому підвищенню ефективності. Як напівпровідники з широкою забороненою зоною ці компоненти природним чином мають менший опір і дозволяють електронам рухатися через них швидше. Це призводить до зменшення статичних втрат потужності приблизно на 60 % порівняно з традиційними аналогами на основі кремнію. Ще одне важливе перевага — висока теплопровідність SiC. Оскільки він надзвичайно ефективно проводить теплову енергію, інженери можуть зменшити розміри силових модулів, не вдаючись до громіздких радіаторів, які застосовувалися в попередніх конструкціях. Для автовиробників, що прагнуть розширити межі технологічних можливостей, цей поєднаний ефект зниження втрат та компактних габаритів безпосередньо сприяє збільшенню запасу ходу між підзарядками та значному спрощенню загальної системи охолодження.

Здатність до високошвидкісного перемикання для передових методів ШІМ та високочастотного перетворення потужності

Перемикання з наносекундним часом дозволяє використовувати постійний струм–постійний струм перетворювачі з частотою понад 1 МГц без погіршення ефективності

Сучасна технологія MOSFET дозволяє перемикатися між станами за менше ніж 15 наносекунд, що забезпечує надійну роботу перетворювачів постійного струму (DC-DC) на частотах понад 1 МГц. Більш швидке перемикання дає змогу зменшити розміри великих конденсаторів і дроселів приблизно наполовину–на дві третини, зберігаючи при цьому ККД вище 95 % навіть за змінних навантажень. У деяких новіших конструкціях із застосуванням передових «канавкових» структур заряд затвора знижено до значення меншого за 10 нанокулонів, що допомагає запобігти небезпечним явищам «пробою через відкриття» (shoot through), які виникають при надто швидкому перемиканні. Як приклад можна навести транзистори GaN MOSFET: згідно з даними видання Power Electronics Europe минулого року, вони зменшують втрати на перемикання приблизно на 40 % порівняно з традиційними кремнієвими компонентами у високочастотних блоках живлення серверів, що працюють на частоті 1,2 МГц. Крім того, нижчі значення вхідної та вихідної ємностей сприяють зменшенню проблем із перевищенням напруги. Це дозволяє проектувальникам зменшувати розміри магнітних компонентів, не хвилюючись про перегрівання — що раніше було практично неможливо реалізувати.

Поєднання швидкості та ЕМІ: стратегії проектування чистого перемикання в живленні систем ADAS

Щодо автомобільних систем ADAS, надшвидкісні ключі, які здатні досягати швидкості понад 100 вольт на наносекунду, створюють серйозні проблеми електромагнітних перешкод (ЕМІ). Інженерам необхідно уважно підбирати відповідні резистори затвора, оскільки саме вони керують швидкістю зміни напруги й таким чином допомагають запобігти небажаним коливанням, не уповільнюючи при цьому процес занадто сильно. Для боротьби з тими неприємними спалахами напруги під час вимкнення компонентів застосовують демпферні ланцюги. У той же час прокладання проводів у вигляді скручених пар у екранованій оболонці зменшує проблеми, пов’язані з випромінюванням. Найновіші технології, що використовують модуляцію з розширеним спектром, згідно зі стандартами CISPR минулого року, фактично знижують рівень пікових ЕМІ приблизно на 12–15 децибел. Це має велике значення, оскільки підтримка рівня шуму нижче 30 мілівольт у системах живлення 48 В є абсолютно критичною для забезпечення чітких сигналів LiDAR під час важливих ситуацій руху, де безпека залежить від точності показань.

Стійкість та надійність у складних середовищах керування потужністю

Масштабовані номінальні напруги (20 В – 1,7 кВ) та оптимізація області безпечного режиму роботи (SOA) для архітектур систем з напругою 12 В до 800 В

Технологія MOSFET охоплює вражаючий діапазон напруг — від приблизно 20 вольт для базових компонентів логічного рівня до потужних версій на 1700 вольт, що застосовуються в важкій промисловості. Ці компоненти добре функціонують у різних системних архітектурах: у стандартних автомобільних електричних системах на 12 вольт, у конфігураціях на 48 вольт, які використовуються в деяких гібридних транспортних засобах, а також у передових платформах на 800 вольт, що застосовуються в сучасних електромобілях. Зона безпечного робочого режиму (SOA) ретельно спроектована для запобігання небезпечному перегріву та витримання неочікуваних стрибків напруги. Згідно з останніми галузевими дослідженнями 2023 року, такий захист зменшує кількість відмов у складних умовах експлуатації приблизно на тридцять відсотків або більше. Те, що робить ці пристрої особливо цінними, — це їхня здатність забезпечувати стабільну роботу за змінних умов навантаження, що є абсолютно критичним для інверторів сонячної та вітрової енергетики, які повинні адаптуватися до постійно змінної потужності виробництва й одночасно підтримувати надійний контроль напруги.

Інновації в тепловому менеджменті: корпуси з мідним покриттям та теплові мікроотвори на друкованих платах для збільшення терміну служби під імпульсними навантаженнями

Покращені рішення для теплового упакування, зокрема виводи з мідним покриттям та щільно розташовані теплові мікроотвори на друкованих платах, суттєво підвищують ефективність відведення тепла під час імпульсної роботи компонентів. Це дозволяє знизити температуру p-n-переходу в пікових режимах приблизно на 40 відсотків. Така технологія надзвичайно ефективна для забезпечення надійної роботи в складних теплових умовах, наприклад, у приводах двигунів та високочастотних перетворювачах потужності. Ці системи часто стикаються з раптовими змінами навантаження, що практично миттєво призводять до утворення «гарячих точок». Коли матеріали краще проводять тепло, вони довше зберігають працездатність перед виходом з ладу, що означає тривалу функціональність обладнання. Навіть у критичних умовах, де збій недопустимий — наприклад, на заводах із автоматизованими виробничими лініями або в масштабних центрах обробки даних, що розміщують сервери, — такі покращення мають вирішальне значення для підтримання продуктивності без неочікуваних відмов.