Anàlisi de la tecnologia de transistors de potència

L'estat de desenvolupament dels transistors de potència
Després de dècades de desenvolupament, s'han fet importants avenços. Des dels primers transistors bipolars (BJT) fins als transistors d'efecte de camp semiconductors d'òxid metàl·lic (MOSFET) i transistors bipolars de porta aïllada (IGBT), els transistors de potència han millorat molt en termes de resistència, velocitat de commutació, resistència de tensió i densitat de potència.

Transistor bipolar (BJT)
BJT és un transistor de potència molt utilitzat primerenc amb un gran guany de corrent i bones característiques lineals, però la seva velocitat de commutació és relativament lenta i la pèrdua de conducció és gran.

Transistor d'efecte de camp semiconductor d'òxid metàl·lic (MOSFET)
Els MOSFET tenen una alta impedància d'entrada, poca resistència i característiques de commutació ràpida, cosa que els fa adequats per a aplicacions de commutació d'alta velocitat i baixa tensió. S'utilitza àmpliament en camps com ara fonts d'alimentació de commutació, convertidors DC-DC i vehicles elèctrics.

Transistor bipolar de porta aïllada (IGBT)
IGBT combina la baixa pèrdua de conducció de BJT amb l'alta impedància d'entrada i les característiques de commutació ràpida del MOSFET, el que el fa adequat per a aplicacions d'alta tensió i corrent elevat, com ara inversors i accionaments de motor.

Tipus principals
Els transistors de potència es divideixen principalment en les següents categories, cadascuna amb les seves característiques úniques i escenaris d'aplicació:
MOSFET de baixa tensió
S'utilitza principalment en aplicacions de commutació de baixa tensió i alta velocitat, com ara plaques base d'ordinadors, sistemes de gestió de bateries i dispositius electrònics portàtils. Té una resistència extremadament baixa, una velocitat de commutació ràpida i un baix consum d'energia.

MOSFET d'alta tensió
S'utilitza principalment en camps com ara la gestió de l'energia, la il·luminació i els vehicles elèctrics. Té una resistència a alta tensió i baixa pèrdua de conducció, però la velocitat de commutació és relativament baixa.

IGBT
S'utilitza principalment en aplicacions d'alta tensió i alt corrent, com ara inversors, convertidors de freqüència i sistemes de control de motors per a vehicles elèctrics. Combina els avantatges de BJT i ​​MOSFET, però funciona malament en aplicacions d'alta freqüència.

MOSFET de superjunció
És un MOSFET millorat que redueix significativament la resistència d'encesa i millora la capacitat de resistència de la tensió optimitzant l'estructura del transistor. S'utilitza àmpliament en fonts d'alimentació i inversors d'alta eficiència.

Paràmetres tècnics clau
En seleccionar i utilitzar transistors de potència, cal tenir en compte els següents paràmetres tècnics clau:
Sobre la resistència (RDS (activat))
Com més baixa sigui la resistència a l'encesa, menor serà la pèrdua d'encesa, cosa que ajuda a millorar l'eficiència del sistema. La resistència a l'encesa dels MOSFET sol ser inferior a la dels BJT i ​​IGBT.

Corrent màxima (ID)
Es refereix al corrent màxim que pot suportar un transistor i la selecció ha d'assegurar que pot complir els requisits actuals del circuit.

Resistència de tensió (VDS o VCE)
Es refereix a la tensió màxima que pot suportar un transistor quan està apagat. Els requisits de resistència de tensió varien en diferents escenaris d'aplicació i s'ha de seleccionar el model adequat segons les necessitats específiques.

Velocitat de commutació (tr i tf)
Es refereix al temps que triga un transistor a passar de la conducció a la desconnexió o de la desconnexió a la conducció. Les aplicacions de commutació d'alta velocitat requereixen la selecció de transistors amb velocitats de commutació ràpides.

Dissipació de potència (PD)
Es refereix a la calor generada per un transistor durant el seu funcionament. Cal triar transistors amb un bon rendiment de dissipació de calor per garantir el seu funcionament estable en condicions d'alta potència.

Escenaris d'aplicació
Els transistors de potència s'utilitzen àmpliament en diversos camps, i els següents són diversos escenaris d'aplicació típics:
Font d'alimentació en mode de commutació
En fonts d'alimentació de commutació, els MOSFET i els IGBT s'utilitzen àmpliament per a una conversió eficient d'energia. Els MOSFET són adequats per a fonts d'alimentació de commutació de baixa tensió, mentre que els IGBT s'utilitzen per a fonts d'alimentació de commutació d'alta tensió.

vehicle elèctric
El sistema de control de motor i gestió d'energia a la Xina utilitza àmpliament IGBT i MOSFET. IGBT és adequat per a l'accionament de motors d'alta tensió i corrent, mentre que MOSFET s'utilitza per a la gestió de bateries i convertidors DC-DC.

Inversor fotovoltaic
Els transistors de potència s'utilitzen per convertir el corrent continu en corrent altern. IGBT i MOSFET de superjunció s'utilitzen habitualment en aquests dispositius de conversió d'energia d'alta eficiència.

automatització industrial
En el camp de l'automatització industrial, els transistors de potència s'utilitzen per a accionaments de motor, convertidors de freqüència i servosistemes. Les seves característiques eficients i fiables asseguren el funcionament estable del sistema
Tendències de desenvolupament futur
La tecnologia dels transistors de potència continuarà desenvolupant-se i evolucionant en el futur, amb tendències principals que inclouen:

Millora l'eficiència i redueix el consum d'energia
Optimitzant l'estructura i els materials del transistor, reduint encara més la resistència a l'encesa i les pèrdues de commutació, millorant l'eficiència del sistema i reduint el consum d'energia.

Aplicació de nous materials
L'aplicació de materials semiconductors de banda ampla com el carbur de silici SiC i el nitrur de gal·li GaN en transistors de potència s'està generalitzant cada cop més. Els transistors SiC i GaN tenen les característiques de resistència d'alta tensió, alta freqüència i baixa pèrdua, i tindran un paper important en el camp de la conversió eficient d'energia.

Integració i intel·ligència
La integració de transistors de potència, circuits de conducció i circuits de protecció en un sol paquet per formar un mòdul de potència intel·ligent (IPM) simplifica el disseny i millora la fiabilitat. Els mòduls d'alimentació intel·ligents s'utilitzaran àmpliament en camps com l'automatització industrial, els vehicles elèctrics i els electrodomèstics.

Conversió d'alta freqüència
Amb l'augment d'aplicacions d'alta freqüència, com ara la càrrega sense fils i la comunicació 5G, els transistors de potència han de tenir freqüències de commutació més altes. Nous materials i dissenys impulsaran el desenvolupament de transistors de potència en aplicacions d'alta freqüència.

Miniaturització
Amb el desenvolupament de dispositius electrònics cap a mides primes, lleugeres i compactes, els transistors de potència també evolucionaran cap a mides més petites i densitats de potència més altes per satisfer les necessitats dels dispositius portàtils i miniaturitzats.

 

https://www.trrsemicon.com/transistor/mosfet-transistor/mosfet-ao3406.html