Розуміння вимог до транзисторів у сучасному перетворенні потужності

Для тих, хто проектує перетворювачі напруги у режимі комутації (SMPS), це схоже на ходьбу по вузькій стрічці. Їм потрібно збалансувати три важливі речі: ефективність, розмір і надійність. І саме в центрі цього балансу знаходиться транзистор. Ви можете уявити транзистор як головний перемикач у системі живлення. Він має великий вплив на три ключові аспекти продуктивності. Перший - це ефективність перетворення потужності. Так само, як ми хочемо, щоб наш автомобіль мав найкращий пробіг, ми хочемо, щоб живлення перетворювало електричну енергію як найефективніше, втрачаючи мінімум можливої енергії. Другий - це характеристики електромагнітних збурень (EMI). Ми не хочемо, щоб наші джерела живлення були схожими на шумних сусідів, які заважають іншим електронним пристроїм навколо. І третій - це термічна стабільність. Тепло може бути справжньою проблемою в електроніці, і нам потрібно, щоб транзистор залишався стабільним навіть коли греється. У сучасних системах перетворення потужності вимоги до транзистори досить високі. Вони повинні змогти швидко увімкнути та вимкнути, з частотами, які досягають більше 200 kHz. При цьому вони мають мінімізувати втрати під час провідності. Це схоже на те, що просиш спортсмена бігти дуже швидко, використовуючи мінімум енергії. Ця необхідність поєднання швидкості та ефективності робить вибір правильного транзистора складним завданням.

Ключові параметри для оптимальної продуктивності транзистора

Отже, коли йде мова про проектування успішного ИМП (імпульсного блоку живлення), з чого починаємо? Все починається з уважного розгляду чотирьох основних характеристик транзистора. Перша - це номінальне напругове перепаднення. Його можна уявити як максимальне напругу, яку транзистор витримає без пошкодження. Це схоже на дамбу, яка може утримувати певну кількість води. У проектуванні блоків живлення, особливо у топологіях flyback, де можуть виникати імпульси напруги, номінальне напругове перепаднення транзистора має бути вищим за пікову входову напругу, і з достатньою безпечною маржею. Ми не хочемо, щоб "дамба" розрушилася! Другою характеристикою є здатність обробляти струм. Транзистор повинен витримувати струм, що протікає через нього, який присутній як під час нормальної неперервної експлуатації, так і під час короткочасних, але інтенсивних перехідних струмів. Також потрібно враховувати фактори зниження параметрів через термічний стрес. Як людина може втомитися і гірше працювати у гарячий день, так і продуктивність транзистора може бути впливена жарою. Параметри швидкості комутації, такі як час підвищення і спаду, також дуже важливі. Вони безпосередньо впливають на те, наскільки добре транзистор може працювати на високих частотах. Чим швидша комутація, тим краща ефективність на високих частотах. Але є одна "підводна каменя". Швидша комутація може потребувати більш складної і sophістicated системи управління затвором. Це схоже на високопродуктивний автомобіль, якому потрібна більш передова система управління двигуном. Нарешті, зворотні характеристики відновлення є ключовими, особливо у мостових конфігураціях. Коли транзистор вимикається, може залишатися деяка залишкова зарядка, яка може створювати пробивні струми. Зворотні характеристики відновлення допомагають керувати цією ситуацією, подібно до інспектора руху, що контролює потік машин, щоб уникнути аварій.

Розгляд найбільш поширених дизайнерських викликів у комутаторних схемах

Тепер, коли ми знаємо, що шукати в транзисторі, заговоримо про виклики, які стикаються при проектуванні комутаційних схем. Одним із найбільших проблем є термальне управління. Коли ми намагаємося помістити більше потужності у меншу площину (достігаючи меж щільності потужності), тепло стає великою проблемою. Це схоже на те, як знаходитися у маленькому, переповненому кімнаті в гарячий день. Щоб з цим боротися, нам потрібно розробити ефективні стратегії виведення тепла. Це включає вибір правильного корпусу для транзистора та оптимізацію розміщення ПЛІ. Ми можемо використовувати такі речі, як термальні черезники, які є схожими на маленькі тунелі для виведення тепла, і медні заливки, які є схожими на великі тепловсипучі пластини, щоб забезпечити виведення тепла від транзистора якомога ефективніше. Інша річ, на яку нам треба звернути увагу, - це втрати при комутації, особливо на високих частотах. Кожен раз, коли транзистор увімкнеться або вимкнеться, виникають деякі втрати. А на високих частотах ці втрати дуже накопичуються і стають значною частиною загальної випромінюваної потужності. Щоб з цим боротися, ми можемо використовувати передові методики управління затвором. Наприклад, адаптивний контроль мертвого часу може регулювати час між комутаціями, щоб зменшити втрати, а активні кола блокування Міллера можуть запобігти небажаним подіям увімкнення. Це схоже на те, що мати розумну систему, яка може самостійно налаштовуватися для кращої продуктивності.

Оптимізація роботи транзисторів для конкретних топологій

Різні архітектури ІБП (змінного струму) схожі на різні типи будинків, кожен з яких має свої унікальні потреби. Наприклад, понижуючі перетворювачі (buck converters) є схожими на простий, ефективний будинок. Їм потрібні транзистори з низькою характеристикою RDS(on). Це важливо, оскільки це допомагає мінімізувати втрати під час неперервного потоку струму. Це схоже на добре ізольований будинок, який не втрачає багато тепла. Підвищуючі (boost) та топології заворотнього зв'язку (flyback) трохи більше нагадують промисловий, міцний будинок. Їм потрібні транзистори з високими показниками енергії аваланшу. Це тому, що вони повинні витримувати напругові піки від індуктивних навантажень, так само, як міцне будівля може витримати бурю. Резонансні дизайни перетворювачів схожі на високотехнологічний, енергоекономічний будинок. Вони користуються від транзисторів з можливостями м'якого перемикання. Це зменшує навантаження на транзистор під час фаз переходу, роблячи всю систему більш ефективною. А в багатофазних системах, які схожі на велике житлове будинок з кількома квартирами, нам потрібно забезпечити, щоб параметри паралельних пристроїв були строго відповідними. Це гарантує, що струм розподіляється рівномірно між всіма "квартирами", так само, як ви хочете, щоб усі квартири в будинку мали рівну частку ресурсів.

Термічні розгляди та підвищення надійності

Щодо термічного дизайну, справа не тільки про вибір правильного транзистора. Це про всю систему. Дизайнерам потрібно думати про шляхи, якими тепло рухається від сполучення транзистора (де фактично відбувається електронна діяльність) до зовнішнього середовища. Це схоже на планування маршруту для вантажної машини, щоб забезпечити доставку від заводу до клієнта якомога швидше. Ми можемо використовувати розсіювачі тепла, які схожі на великі охолоджувальні фіни, щоб допомогти з цим. І ці розв'язки повинні відповідати циклам роботи блоку живлення. Динамічні методи термічного моніторингу також дуже корисні. Це схоже на термостат у вашому будинку, який може регулювати температуру в залежності від того, наскільки жарко за межами будинку. У програмах змінної навантаженості ці методи можуть дозволити адаптивні стратегії охолодження. І замість просто розгляду кімнатної температури (як температура за межами вашого будинку), впровадження рекомендацій щодо зниження напруги на основі фактичних температур роботи транзистора може значно покращити його довгострокову надійність. Сучасні технології упаковки, такі як кліп-з'єднання і срібна спека, схожі на нові, покращені будівельні матеріали. Вони можуть допомогти зменшити термічний опір у високоточних застосуваннях, роблячи всю систему більш ефективною та надійною.

Майбутні тенденції в технології переключення потужності

Світ технологій переключення потужності завжди розвивається, і прямо зараз на горизонті є декілька дуже захопливих речей. Виникаючі широкозонні напівпровідники є як новий, революційний будівельний матеріал для потужних транзисторів. Пристрої на основі нітрата галію (GaN), наприклад, дуже швидкі. Вони мають високу швидкість переключення та зменшені характеристики втрат вузла керування. Це означає, що вони можуть працювати на частотах у діапазоні МГц з кращою ефективністю. Це схоже на те, що у вас є надзвичайно швидке спортивне авто, яке також добре витримує паливо. Компоненти на основі карбіду кремнію (SiC) - це інший цікавий розвиток. Вони є як міцний, жаростійкий матеріал. Вони мають виняткову теплопровідність і можуть витримувати високі температури, що ідеально підходить для промислового використання. Зараз ці технології трохи дорожчі, як предмет роскоші. Але з часом вони стають більш вартісно ефективними. У наступні роки вони можуть змінити спосіб проектування блоків живлення, як нова винахідність може змінити наш спосіб життя.