Phân tích công nghệ Transistor công suất

Tình hình phát triển của Transistor công suất
Sau nhiều thập kỷ phát triển, đã có những tiến bộ đáng kể. Từ các bóng bán dẫn lưỡng cực (BJT) ban đầu cho đến các bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại (MOSFET) và bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) ngày nay, bóng bán dẫn công suất đã được cải thiện đáng kể về điện trở trên, tốc độ chuyển mạch, điện trở điện áp và mật độ công suất.

Transistor lưỡng cực (BJT)
BJT là một bóng bán dẫn công suất được sử dụng rộng rãi từ sớm với độ khuếch đại dòng điện cao và đặc tính tuyến tính tốt, nhưng tốc độ chuyển mạch của nó tương đối chậm và tổn thất dẫn điện lớn.

Transistor hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET)
MOSFET có trở kháng đầu vào cao, điện trở thấp và đặc tính chuyển mạch nhanh, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao và điện áp thấp. Nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nguồn điện chuyển mạch, bộ chuyển đổi DC-DC và xe điện.

Transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT)
IGBT kết hợp khả năng suy hao dẫn điện thấp của BJT với trở kháng đầu vào cao và đặc tính chuyển mạch nhanh của MOSFET, khiến nó phù hợp với các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao như biến tần và bộ truyền động động cơ.

Những loại chính
Transistor công suất chủ yếu được chia thành các loại sau, mỗi loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng:
MOSFET điện áp thấp
Chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chuyển mạch điện áp thấp và tốc độ cao, chẳng hạn như bo mạch chủ máy tính, hệ thống quản lý pin và thiết bị điện tử cầm tay. Nó có điện trở cực thấp, tốc độ chuyển mạch nhanh và mức tiêu thụ điện năng thấp.

MOSFET điện áp cao
Chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực như quản lý điện năng, chiếu sáng và xe điện. Nó có điện trở cao và tổn thất dẫn điện thấp, nhưng tốc độ chuyển mạch tương đối thấp.

IGBT
Chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng điện áp cao và dòng điện cao, chẳng hạn như bộ biến tần, bộ biến tần và hệ thống điều khiển động cơ cho xe điện. Nó kết hợp các ưu điểm của BJT và MOSFET, nhưng hoạt động kém trong các ứng dụng tần số cao.

MOSFET siêu tiếp giáp
Đây là MOSFET cải tiến giúp giảm đáng kể điện trở bật và cải thiện khả năng chịu điện áp bằng cách tối ưu hóa cấu trúc bóng bán dẫn. Nó được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn và bộ biến tần hiệu suất cao.

Các thông số kỹ thuật chính
Khi lựa chọn và sử dụng bóng bán dẫn công suất, cần xem xét các thông số kỹ thuật chính sau đây:
Trên điện trở (RDS (on))
Điện trở bật càng thấp thì tổn thất bật càng nhỏ, giúp cải thiện hiệu suất hệ thống. Điện trở bật của MOSFET thường thấp hơn điện trở bật của BJT và IGBT.

Dòng điện tối đa (ID)
Nó đề cập đến dòng điện tối đa mà một bóng bán dẫn có thể chịu được và việc lựa chọn phải đảm bảo rằng nó có thể đáp ứng các yêu cầu về dòng điện của mạch.

Điện trở (VDS hoặc VCE)
Nó đề cập đến điện áp tối đa mà một bóng bán dẫn có thể chịu được khi ở trạng thái tắt. Các yêu cầu về điện trở thay đổi trong các tình huống ứng dụng khác nhau và nên chọn mô hình phù hợp theo nhu cầu cụ thể.

Tốc độ chuyển mạch (tr và tf)
Nó đề cập đến thời gian cần thiết để một bóng bán dẫn chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngắt kết nối hoặc từ trạng thái ngắt kết nối sang trạng thái dẫn. Các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao đòi hỏi phải lựa chọn các bóng bán dẫn có tốc độ chuyển mạch nhanh.

Tiêu tán công suất (PD)
Là nhiệt lượng tỏa ra từ transistor trong quá trình hoạt động. Cần phải chọn transistor có hiệu suất tản nhiệt tốt để đảm bảo transistor hoạt động ổn định trong điều kiện công suất cao.

Các tình huống ứng dụng
Transistor công suất được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và sau đây là một số ứng dụng điển hình:
Nguồn điện chuyển mạch
Trong nguồn điện chuyển mạch, MOSFET và IGBT được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi năng lượng hiệu quả. MOSFET phù hợp với nguồn điện chuyển mạch điện áp thấp, trong khi IGBT được sử dụng cho nguồn điện chuyển mạch điện áp cao.

xe điện
Hệ thống quản lý năng lượng và điều khiển động cơ ở Trung Quốc sử dụng rộng rãi IGBT và MOSFET. IGBT phù hợp với động cơ điện áp cao và dòng điện cao, trong khi MOSFET được sử dụng để quản lý pin và bộ chuyển đổi DC-DC.

Biến tần quang điện
Transistor công suất được sử dụng để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. IGBT và MOSFET siêu tiếp giáp thường được sử dụng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng hiệu suất cao như vậy.

Tự động trong công nghiệp
Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, transistor công suất được sử dụng cho các bộ truyền động động cơ, bộ biến tần và hệ thống servo. Các đặc tính hiệu quả và đáng tin cậy của nó đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống
Xu hướng phát triển trong tương lai
Công nghệ bóng bán dẫn công suất sẽ tiếp tục phát triển và tiến hóa trong tương lai, với các xu hướng chính bao gồm:

Nâng cao hiệu quả và giảm tiêu thụ điện năng
Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu của bóng bán dẫn, giảm thêm điện trở khi bật và tổn thất khi chuyển mạch, cải thiện hiệu suất hệ thống và giảm mức tiêu thụ năng lượng.

Ứng dụng vật liệu mới
Ứng dụng vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải rộng như silicon carbide SiC và gali nitride GaN trong bóng bán dẫn công suất ngày càng trở nên phổ biến. Các bóng bán dẫn SiC và GaN có đặc điểm là điện trở cao, tần số cao và tổn thất thấp, sẽ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực chuyển đổi năng lượng hiệu quả.

Tích hợp và trí tuệ
Tích hợp các bóng bán dẫn công suất, mạch điều khiển và mạch bảo vệ vào một gói để tạo thành mô-đun công suất thông minh (IPM) giúp đơn giản hóa thiết kế và cải thiện độ tin cậy. Mô-đun công suất thông minh sẽ được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, xe điện và thiết bị gia dụng.

Chuyển đổi tần số cao
Với sự gia tăng của các ứng dụng tần số cao như sạc không dây và truyền thông 5G, các bóng bán dẫn điện được yêu cầu phải có tần số chuyển mạch cao hơn. Các vật liệu và thiết kế mới sẽ thúc đẩy sự phát triển của các bóng bán dẫn điện trong các ứng dụng tần số cao.

Thu nhỏ
Cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử theo hướng mỏng, nhẹ và nhỏ gọn, bóng bán dẫn công suất cũng sẽ phát triển theo hướng nhỏ hơn và mật độ công suất cao hơn để đáp ứng nhu cầu của các thiết bị di động và thu nhỏ.

 

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