تجزیه و تحلیل فناوری ترانزیستور قدرت

وضعیت توسعه ترانزیستورهای قدرت
پس از چندین دهه توسعه، پیشرفت قابل توجهی حاصل شده است. از ترانزیستورهای دوقطبی اولیه (BJT) تا ترانزیستورهای اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز امروزی (MOSFET) و ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT)، ترانزیستورهای قدرت از نظر مقاومت، سرعت سوئیچینگ، مقاومت ولتاژ و چگالی توان بسیار بهبود یافته اند.

ترانزیستور دوقطبی (BJT)
BJT یک ترانزیستور قدرت اولیه است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد با بهره جریان بالا و ویژگی های خطی خوب، اما سرعت سوئیچینگ آن نسبتاً پایین است و تلفات رسانش زیاد است.

ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET)
ماسفت ها دارای امپدانس ورودی بالا، مقاومت کم و ویژگی های سوئیچینگ سریع هستند که آنها را برای سوئیچینگ های پرسرعت و کاربردهای ولتاژ پایین مناسب می کند. به طور گسترده ای در زمینه هایی مانند منابع تغذیه سوئیچینگ، مبدل های DC-DC و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود.

ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT)
IGBT تلفات رسانایی کم BJT را با امپدانس ورودی بالا و ویژگی های سوئیچینگ سریع ماسفت ترکیب می کند و آن را برای کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا مانند اینورترها و درایوهای موتور مناسب می کند.

انواع اصلی
ترانزیستورهای قدرت به طور عمده به دسته های زیر تقسیم می شوند که هر کدام دارای ویژگی ها و سناریوهای کاربردی منحصر به فرد خود هستند:
ماسفت ولتاژ پایین
عمدتاً در برنامه های سوئیچ کم ولتاژ و سرعت بالا مانند مادربردهای رایانه، سیستم های مدیریت باتری و دستگاه های الکترونیکی قابل حمل استفاده می شود. دارای مقاومت بسیار کم، سرعت سوئیچینگ سریع و مصرف انرژی کم است.

ماسفت فشار قوی
عمدتا در زمینه هایی مانند مدیریت انرژی، روشنایی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. دارای مقاومت ولتاژ بالا و افت رسانایی کم است، اما سرعت سوئیچینگ نسبتا کم است.

IGBT
عمدتاً در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان بالا مانند اینورترها، مبدل های فرکانس و سیستم های کنترل موتور برای وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود. مزایای BJT و MOSFET را ترکیب می کند، اما در کاربردهای فرکانس بالا ضعیف عمل می کند.

ماسفت Superjunction
این یک ماسفت بهبود یافته است که با بهینه سازی ساختار ترانزیستور مقاومت روشن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد و قابلیت مقاومت ولتاژ را بهبود می بخشد. این به طور گسترده در منابع تغذیه با راندمان بالا و اینورتر استفاده می شود.

پارامترهای فنی کلیدی
هنگام انتخاب و استفاده از ترانزیستورهای قدرت، پارامترهای فنی کلیدی زیر باید در نظر گرفته شوند:
در مقاومت (RDS (روشن))
هرچه مقاومت روشن کمتر باشد، از دست دادن کمتر است، که به بهبود کارایی سیستم کمک می کند. مقاومت روشن ماسفت ها معمولا کمتر از BJT ها و IGBT ها است.

حداکثر جریان (ID)
این به حداکثر جریانی اشاره دارد که یک ترانزیستور می تواند تحمل کند، و انتخاب باید اطمینان حاصل کند که می تواند نیازهای جریان مدار را برآورده کند.

مقاومت ولتاژ (VDS یا VCE)
این به حداکثر ولتاژی اشاره دارد که یک ترانزیستور در حالت خاموش می تواند تحمل کند. الزامات مقاومت ولتاژ در سناریوهای کاربردی مختلف متفاوت است و مدل مناسب باید با توجه به نیازهای خاص انتخاب شود.

سرعت سوئیچینگ (tr و tf)
به مدت زمانی که طول می کشد تا ترانزیستور از حالت رسانایی به قطع یا از قطع شدن به رسانایی برود اشاره دارد. کاربردهای سوئیچ سرعت بالا نیازمند انتخاب ترانزیستورهایی با سرعت سوئیچینگ سریع هستند.

اتلاف نیرو (PD)
این به گرمای تولید شده توسط ترانزیستور در طول کار آن اشاره دارد. انتخاب ترانزیستورهایی با عملکرد اتلاف حرارت خوب برای اطمینان از عملکرد پایدار آنها در شرایط توان بالا ضروری است.

سناریوهای کاربردی
ترانزیستورهای قدرت به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و در زیر چندین سناریو کاربردی معمولی وجود دارد:
منبع تغذیه حالت سوئیچینگ
در منابع تغذیه سوئیچینگ، ماسفت ها و IGBT ها به طور گسترده ای برای تبدیل انرژی کارآمد استفاده می شوند. ماسفت ها برای منابع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ پایین مناسب هستند، در حالی که IGBT ها برای منابع تغذیه سوئیچینگ ولتاژ بالا استفاده می شوند.

وسیله نقلیه الکتریکی
سیستم کنترل موتور و مدیریت انرژی در چین به طور گسترده ای از IGBT و MOSFET استفاده می کند. IGBT برای درایو موتور با ولتاژ بالا و جریان بالا مناسب است، در حالی که ماسفت برای مدیریت باتری و مبدل های DC-DC استفاده می شود.

اینورتر فتوولتائیک
ترانزیستورهای قدرت برای تبدیل جریان مستقیم به جریان متناوب استفاده می شوند. IGBT و superjunction MOSFET معمولاً در چنین دستگاه های تبدیل انرژی با راندمان بالا استفاده می شوند.

اتوماسیون صنعتی
در زمینه اتوماسیون صنعتی، ترانزیستورهای قدرت برای درایوهای موتور، مبدل های فرکانس و سیستم های سروو استفاده می شوند. ویژگی های کارآمد و قابل اعتماد آن عملکرد پایدار سیستم را تضمین می کند
روندهای توسعه آینده
فناوری ترانزیستورهای قدرت در آینده با روندهای اصلی از جمله:

بهبود راندمان و کاهش مصرف برق
با بهینه سازی ساختار و مواد ترانزیستور، کاهش بیشتر مقاومت در هنگام روشن شدن و تلفات سوئیچینگ، بهبود راندمان سیستم و کاهش مصرف انرژی.

استفاده از مواد جدید
استفاده از مواد نیمه هادی با فاصله باند گسترده مانند کاربید سیلیکون SiC و نیترید گالیم GaN در ترانزیستورهای قدرت به طور فزاینده ای گسترده می شود. ترانزیستورهای SiC و GaN دارای ویژگی های مقاومت در برابر ولتاژ بالا، فرکانس بالا و تلفات کم هستند و نقش مهمی در زمینه تبدیل انرژی کارآمد خواهند داشت.

یکپارچگی و هوش
ادغام ترانزیستورهای قدرت، مدارهای محرک و مدارهای حفاظتی در یک بسته برای تشکیل یک ماژول قدرت هوشمند (IPM) طراحی را ساده کرده و قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد. ماژول های قدرت هوشمند به طور گسترده در زمینه هایی مانند اتوماسیون صنعتی، وسایل نقلیه الکتریکی و لوازم خانگی استفاده خواهند شد.

تبدیل با فرکانس بالا
با افزایش کاربردهای فرکانس بالا مانند شارژ بی سیم و ارتباطات 5G، ترانزیستورهای قدرت باید فرکانس سوئیچینگ بالاتری داشته باشند. مواد و طرح های جدید باعث توسعه ترانزیستورهای قدرت در کاربردهای فرکانس بالا می شود.

کوچک سازی
با توسعه دستگاه های الکترونیکی به سمت اندازه های نازک، سبک و جمع و جور، ترانزیستورهای قدرت نیز به سمت اندازه های کوچکتر و چگالی توان بالاتر برای پاسخگویی به نیازهای دستگاه های قابل حمل و کوچک تبدیل می شوند.

 

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