Разбиране на изискванията за транзистори в съвременната преобразуване на енергия

За тези, които проектират преобразуватели на електрическа енергия в режим на комутация (SMPS), това е като ходене по висок тясен връв. Трябва да балансират три важни неща: ефективност, размер и надеждност. И точно в сърцето на този баланс стои транзисторът. Можете да мислите за транзистора като за главния ключ в системата за достава на електроенергия. Той има голямо влияние върху три основни аспекта на производителността. Първият е ефективността на преобразуването на мощността. Както искаме колата си да има най-добрия пробег, така искаме преобразувателя на енергия да преобразува електрическата енергия по възможно най-ефективен начин, губейки минимално количество. Вторият е характеристиките на електромагнитното вмешване (EMI). Не искаме нашата система за достава на енергия да е като шумен съсед, който вмешва в другите електронни устройства около него. И третият е термалната стабилност. Топлината може да бъде сериозна проблема в електрониката, и ни трябва транзисторът да остане стабилен дори когато се затопля. В днешните модерни системи за преобразуване на енергия, изискванията транзистори са доста високи. Те трябва да могат да се включват и изключват много бързо, с честоти, които надхвърлят 200 kHz. Едновременно те трябва да минимизират загубите по време на проводната фаза. Ето защо е като да поискаме от атлет да тича много бързо, докато използва минимално количество енергия. Тази нужда от скорост и ефективност прави избора на правилния транзистор трудна задача.

Ключови параметри за оптимална перформанса на транзистора

Значи, когато става дума за проектиране на успешен ИБП, откъде започваме? Всичко започва с тясно разглеждане на четири основни характеристики на транзистора. Първата е номиналното спусково напрежение. Можете да го представите като максималното напрежение, което транзисторът може да понася без да се повреди. Това е като планина, която може да задържи определено количество вода. При проектирането на източници на мощност, особено при топологията flyback, където могат да се случват възмущения на напрежението, спусковото напрежение на транзистора трябва да е по-високо от пиковото входящо напрежение и с добро безопасностно запас. Не искаме "планината" да се сруши! Втората характеристика е способността за управление на токовете. Транзисторът трябва да може да понася тока, протичащ през него, както през нормалното непрекъснато функциониране, така и по време на кратки, но интензивни преходни възмущения. Също така трябва да бъдем внимателни относно факторите за намаляване, свързани с термалния стрес. Както човек може да се умори и да работи по-лошо при гореща време, така и производителността на транзистора може да бъде засегната от топлина. Параметрите на скоростта на комутация, като времето за настъпване и спадане, са също много важни. Те директно влияят върху това колко добре транзисторът може да работи на високи честоти. Колкото по-бързо се комутира, толкова по-добре е ефективността при високи честоти. Но има ловушка. По-бързата комутация може да изисква по-сложни и sofisticirani схеми за управление на врата. Това е като високопроизводителна кола, която изисква по-продължителна система за управление на мотора. Накрая, обратните характеристики на възстановяване са от съществено значение, особено в мостови конфигурации. Когато транзисторът се изключва, може да остане някакъв резервен заряд, който може да създаде пробивни токове. Обратните характеристики на възстановяване помагат да се управлява тази ситуация, като регулатор на движението, който контролира потока на колите, за да се избегнат аварии.

Разглеждане на общи проектиранети предизвикателства в комутационните кръгове

Сега, когато знаем какво да търсим в транзистор, нека говорим за предизвикателствата, свързани с проектирането на ключови схеми. Една от най-големите головоболки е термалното управление. Докато се опитваме да съберем повече мощност в по-малко пространство (надминавайки граници на плътността на мощност), топлината става голяма проблема. Това е като да си си в малка, претисната стая на горещ ден. За да се справим с това, трябва да измислим ефективни стратегии за дисипация на топлина. Това включва избора на правилния корпус за транзистора и оптимизацията на разположението на ПЛЧ. Можем да използваме неща като термални вие, които са като малки тунели за излизане на топлина, и медни разливи, които са като големи топлинно-поглъщателни плочи, за да се уверим, че топлината се премества от транзистора колкото е възможно по-ефективно. Още една неща, към която трябва да обърнем внимание, са загубите при ключене, особено при високи честоти. Всеки път, когато транзисторът се включва и изключва, има някакви загуби. И при високи честоти тези загуби могат сериозно да се натрупат и да станат значителна част от общата дисипация на мощност. За да се справим с това, можем да използваме продължителни техники за управление на врата. Например, адаптивното управление на мертвото време може да регулира времето между ключенето, за да намали загубите, а активните циркути на Miller clamp могат да предотвратяват нежелани включвания. Това е като да имаш умна система, която може да се самонастраява, за да работи по-добре.

Оптимизиране на перформанса на транзисторите за конкретни топологии

Различните SMPS архитектури са като различни видове къщи, всяка с свои уникални нужди. Например, конверторите са като проста, ефективна къща. Те наистина се нуждаят от транзистори с ниски характеристики на RDS. Това е важно, защото помага за свеждане до минимум на загубите по време на непрекъснат ток. Това е като да имаш добре изолирана къща, която не губи много топлина. Топологиите за подкрепление и за връщане назад са малко по-близо до здрава къща в индустриален стил. Нужни са им транзистори с висока енергия. Това е така, защото трябва да издържат на напрежение от индуктивни натоварвания, точно както една силна сграда може да издържи на буря. Резонансните преобразуватели са като високотехнологична, енергоефективна къща. Те се възползват от транзистори с възможности за меко превключване. Това намалява напрежението върху транзистора по време на преходните фази, което прави цялата система по-ефективна. И в многофазните системи, които са като голяма жилищна сграда с няколко единици, трябва да се уверим, че паралелните устройства имат тясно съвпадащи параметри. Това гарантира, че токът се разпределя равномерно между всички "единици", точно както искате всички апартаменти в една сграда да имат равен дял от ресурсите.

Термични разисквания и подобряване на надеждността

Когато става дума за термичен дизайн, не е само въпрос да се избере правилния транзистор. Е въпрос за цялата система. Проектиращите трябва да мислят за пътеките, по които топлината минава от юнкцията на транзистора (където се случва реалното електронно действие) до външната среда. Това е като планиране на маршрут за куриерска кола, за да се гарантира, че може да стигне от фабриката до клиента колкото се може по-бързо. Можем да използваме решения за отвод на топлина, които са като големи охлаждащи плавки, за да помогнем с това. И тези решения трябва да се поддържат според операционните цикли на блока за напрежение. Динамичните техники за термен надзор също са много полезни. Това е като да имаш терmostat в къщата си, който може да регулира температурата според това колко горещо е навън. В приложенията с променливи натоварвания, тези техники могат да позволят адаптивни стратегии за охлаждане. И вместо просто да се разглежда околната температура (като температурата навън пред къщата), прилагането на ръководства за намаляване, базирани на реалните операционни температури на транзистора, може значително да подобри неговата дългосрочна надеждност. Напредналите упаковачни технологии, като свиване и сребърен синтеринг, са като нови, подобрени строителни материали. Те могат да помогнат да се намали термичното съпротивление в приложенията с високи токове, правейки цялата система по-ефективна и надеждна.

Бъдещи тенденции в технологията за превключване на електрическа мощност

Светът на технологията за превключване на мощност винаги се развива, и в момента има някои наистина увлекателни неща на хоризонта. Излизащи широкобандови полупроводници са като нов, революционен строителен материал за мощностните транзистори. Устройствата с галиев нитрид (GaN) например са сверхбързи. Те разполагат с отлични скорости при превключване и намалени характеристики на вратовата заред. Това означава, че могат да работят на честоти от диапазона на MHz с по-добра ефективност. Ето как да имате сверхбърза спортска кола, която също така има отличен горивен разход. Компонентите с силicium carbide (SiC) са друг интересен развитие. Те са като твърд, топлоустойчив материал. Предлагат изключителна термична проводимост и могат да tolerate високи температури, което е идеално за индустриални приложения. В момента тези технологии са малко по-скъпи, като luxuries. Но с времето те се развиват, за да станат по-економически достъпни. През следващите години те може би ще променят начина, по който проектираме източници на мощност, точно като ново изобретение може да промени начинът, по който живеем.