Analyse van vermogenstransistortechnologie

De ontwikkelingsstatus van vermogenstransistoren
Na tientallen jaren van ontwikkeling is er aanzienlijke vooruitgang geboekt. Van vroege bipolaire transistoren (BJT's) tot de huidige metaaloxide halfgeleider veld-effect transistoren (MOSFET's) en geïsoleerde gate bipolaire transistoren (IGBT's), zijn vermogenstransistoren enorm verbeterd in termen van aan-weerstand, schakelsnelheid, spanningsweerstand en vermogensdichtheid.

Bipolaire transistor (BJT)
BJT is een vroege, veelgebruikte vermogenstransistor met een hoge stroomversterking en goede lineaire eigenschappen. De schakelsnelheid is echter relatief laag en het geleidingsverlies is groot.

Metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET)
MOSFET's hebben een hoge ingangsimpedantie, lage weerstand en snelle schakelkarakteristieken, waardoor ze geschikt zijn voor snelle schakel- en laagspanningstoepassingen. Ze worden veel gebruikt in sectoren zoals schakelende voedingen, DC-DC-converters en elektrische voertuigen.

Geïsoleerde poort bipolaire transistor (IGBT)
IGBT combineert het lage geleidingsverlies van BJT met de hoge ingangsimpedantie en snelle schakeleigenschappen van MOSFET. Hierdoor is het geschikt voor toepassingen met hoge spanning en hoge stroom, zoals omvormers en motoraandrijvingen.

Hoofdtypen
Vermogenstransistoren worden hoofdzakelijk onderverdeeld in de volgende categorieën, elk met zijn eigen unieke kenmerken en toepassingsscenario's:
Laagspannings-MOSFET
Wordt voornamelijk gebruikt in laagspannings- en hogesnelheidsschakeltoepassingen, zoals computermoederborden, batterijbeheersystemen en draagbare elektronische apparaten. Het heeft een extreem lage weerstand, hoge schakelsnelheid en laag stroomverbruik.

Hoge spanning MOSFET
Wordt voornamelijk gebruikt in sectoren zoals energiebeheer, verlichting en elektrische voertuigen. Het heeft een hoge spanningsweerstand en een laag geleidingsverlies, maar de schakelsnelheid is relatief laag.

IGBT
Wordt voornamelijk gebruikt in hoogspannings- en hogestroomtoepassingen, zoals omvormers, frequentieomvormers en motorregelsystemen voor elektrische voertuigen. Het combineert de voordelen van BJT en MOSFET, maar presteert slecht in hoogfrequente toepassingen.

Superjunctie MOSFET
Het is een verbeterde MOSFET die de aan-weerstand aanzienlijk vermindert en de weerstandsspanningscapaciteit verbetert door de transistorstructuur te optimaliseren. Het wordt veel gebruikt in hoog-efficiënte voedingen en omvormers.

Belangrijkste technische parameters
Bij de selectie en het gebruik van vermogenstransistoren moeten de volgende belangrijke technische parameters in acht worden genomen:
Over weerstand (RDS (aan))
Hoe lager de aan-weerstand, hoe kleiner het aan-verlies, wat helpt de efficiëntie van het systeem te verbeteren. De aan-weerstand van MOSFET's is doorgaans lager dan die van BJT's en IGBT's.

Maximale stroom (ID)
Hiermee wordt de maximale stroomsterkte bedoeld die een transistor kan weerstaan. Bij de selectie ervan moet er rekening mee worden gehouden dat deze aan de stroomvereisten van het circuit voldoet.

Spanningsweerstand (VDS of VCE)
Het verwijst naar de maximale spanning die een transistor kan weerstaan ​​in een uitgeschakelde toestand. De vereisten voor spanningsweerstand variëren in verschillende toepassingsscenario's en het geschikte model moet worden geselecteerd op basis van specifieke behoeften.

Schakelsnelheid (tr en tf)
Het verwijst naar de tijd die een transistor nodig heeft om van geleidend naar ontkoppeld te gaan of van ontkoppeld naar geleidend. Hoge snelheidsschakelaartoepassingen vereisen de selectie van transistoren met hoge schakelsnelheden.

Vermogensverlies (PD)
Het verwijst naar de warmte die door een transistor wordt gegenereerd tijdens zijn werking. Het is noodzakelijk om transistors te kiezen met goede warmteafvoerprestaties om hun stabiele werking onder hoge vermogensomstandigheden te garanderen.

Toepassingsscenario's
Vermogenstransistoren worden op grote schaal gebruikt in verschillende vakgebieden. Hieronder volgen enkele typische toepassingsscenario's:
Schakelende voeding
In schakelende voedingen worden MOSFET's en IGBT's veel gebruikt voor efficiënte energieomzetting. MOSFET's zijn geschikt voor laagspanningsschakelende voedingen, terwijl IGBT's worden gebruikt voor hoogspanningsschakelende voedingen.

electrisch voertuig
Het motorregel- en energiebeheersysteem in China maakt uitgebreid gebruik van IGBT en MOSFET. IGBT is geschikt voor hoogspannings- en hoogstroommotoraandrijving, terwijl MOSFET wordt gebruikt voor batterijbeheer en DC-DC-converters.

Fotovoltaïsche omvormer
Vermogenstransistoren worden gebruikt om gelijkstroom om te zetten in wisselstroom. IGBT en superjunction MOSFET worden vaak gebruikt in dergelijke energieconversie-apparaten met een hoog rendement.

industriële automatie
Op het gebied van industriële automatisering worden vermogenstransistoren gebruikt voor motoraandrijvingen, frequentieomvormers en servosystemen. De efficiënte en betrouwbare eigenschappen ervan zorgen voor een stabiele werking van het systeem
Toekomstige ontwikkelingstrends
De technologie voor vermogenstransistoren zal zich in de toekomst blijven ontwikkelen en evolueren, met belangrijke trends zoals:

Verbeter de efficiëntie en verminder het stroomverbruik
Door de transistorstructuur en -materialen te optimaliseren, de inschakelweerstand en schakelverliezen verder te verminderen, de systeemefficiëntie te verbeteren en het energieverbruik te verminderen.

Toepassing van nieuwe materialen
De toepassing van halfgeleidermaterialen met een brede bandgap, zoals siliciumcarbide SiC en galliumnitride GaN in vermogenstransistoren, wordt steeds wijdverbreider. SiC- en GaN-transistoren hebben de kenmerken van hoge spanningsweerstand, hoge frequentie en laag verlies, en zullen een belangrijke rol spelen op het gebied van efficiënte energieomzetting.

Integratie en intelligentie
Het integreren van vermogenstransistoren, aandrijfcircuits en beschermingscircuits in één pakket om een ​​intelligente vermogensmodule (IPM) te vormen, vereenvoudigt het ontwerp en verbetert de betrouwbaarheid. Intelligente vermogensmodules zullen op grote schaal worden gebruikt in sectoren zoals industriële automatisering, elektrische voertuigen en huishoudelijke apparaten.

Hoge frequentie conversie
Met de opkomst van hoogfrequente toepassingen zoals draadloos opladen en 5G-communicatie, moeten vermogenstransistoren hogere schakelfrequenties hebben. Nieuwe materialen en ontwerpen zullen de ontwikkeling van vermogenstransistoren in hoogfrequente toepassingen stimuleren.

Miniaturisatie
Naarmate elektronische apparaten steeds dunner, lichter en compacter worden, zullen vermogenstransistoren ook steeds kleiner worden en een hogere vermogensdichtheid hebben om te voldoen aan de behoeften van draagbare en geminiaturiseerde apparaten.

 

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