Tehopuolijohdelaite - Power semiconductor device

Tehopuolijohteen laite on puolijohdelaite käytetään kytkimen tai tasasuuntaaja on tehoelektroniikan (esimerkiksi on kytkin-mode virtalähde ). Tällaista laitetta kutsutaan myös teholaitteeksi tai integroidussa piirissä käytettynä teho-IC: ksi .

Tehopuolijohdelaitetta käytetään yleensä "kommutointitilassa" (ts. Se on joko päällä tai pois päältä), ja siksi sen rakenne on optimoitu tällaista käyttöä varten; sitä ei yleensä tule käyttää lineaarisessa toiminnassa. Lineaariset virtapiirit ovat yleisiä jännitteen säätiminä, äänivahvistimina ja radiotaajuusvahvistimina.

Tehopuolijohteet löytyvät järjestelmistä, jotka tuottavat vain muutama kymmenen milliwattia kuulokevahvistimelle, jopa noin gigawattia suurjännitteisessä tasavirran siirtojohdossa.

Historia

Ensimmäinen virtapiireissä käytetty elektroniikkalaite oli elektrolyyttinen tasasuuntaaja - varhaisen version kuvasi ranskalainen kokeilija A. Nodon vuonna 1904. Nämä olivat lyhyesti suosittuja varhaisissa radiokokeilijoissa, koska ne voitiin improvisoida alumiinilevyistä ja kotitalouskemikaaleista . Heillä oli alhainen kestävyysjännite ja rajoitettu tehokkuus.

Ensimmäiset puolijohde-puolijohdelaitteet olivat kuparioksidien tasasuuntaajia, joita käytettiin varhaisissa akkulaturissa ja radiolaitteiden virtalähteissä. LO Grundahl ja PH Geiger ilmoittivat vuonna 1927.

Ensimmäinen germanium tehopuolijohdemoduli ilmestyi vuonna 1952 käyttöön tehon diodi , jonka RN Hall . Se oli käänteinen jännite esto-ominaisuus oli 200 V ja nimellisvirta 35 .

Kaksisuuntaiset Germanium- transistorit, joilla on huomattavat tehonkäsittelyominaisuudet (100 mA: n kollektorivirta), otettiin käyttöön noin vuonna 1952; olennaisesti samalla rakenteella kuin signaalilaitteet, mutta parempi lämmöntuotto. Tehonkäsittelykyky kehittyi nopeasti, ja vuoteen 1954 mennessä oli saatavana 100 watin hajaannuksella varustettuja germaniummetalliseoskytkentätransistoreita. Nämä olivat kaikki suhteellisen matalataajuisia laitteita, joita käytettiin jopa noin 100 kHz: n ja jopa 85 asteen liitoslämpötilan välillä. Piin tehotransistoreita valmistettiin vasta vuonna 1957, mutta kun niitä oli käytettävissä, niiden taajuusvaste oli parempi kuin germaaniumlaitteilla, ja ne pystyivät toimimaan jopa 150 C: n liitoslämpötilaan.

Tyristori ilmestyi vuonna 1957. Se pystyy kestämään erittäin korkea käänteinen läpilyöntijännite ja on myös pystyy kuljettamaan suuri virta. Tyristorin eräs haitta kytkentäpiireissä on kuitenkin se, että kun se muuttuu "lukittuvaksi" johtavassa tilassa; sitä ei voida sammuttaa ulkoisella ohjauksella, koska tyristorin katkaisu on passiivista, ts. virta on katkaistava laitteesta. Tyristorit, jotka voidaan kytkeä pois päältä, nimeltään gate turn-off tyristorit (GTO), otettiin käyttöön vuonna 1960. Ne ylittävät tavallisen tyristorin rajoitukset, koska ne voidaan kytkeä päälle tai pois päältä sovelletulla signaalilla.

Teho MOSFET

Pääartikkeli: Power MOSFET
Katso myös: FET-vahvistin , eristetyn portin bipolaaritransistori , MOSFET , LDMOS ja VMOS

Läpimurto tehoelektroniikan mukana keksintö MOSFET (metalli-oksidi-puolijohde kanavatransistori) mukaan Mohamed Atalla ja Dawon Kahng on Bell Labs vuonna 1959. sukupolvien MOSFET-transistoreja ansiosta teho suunnittelijat saavuttaa suorituskyvyn ja tummuuden ole mahdollista bipolaarisilla transistoreilla. MOSFET-tekniikan parannusten ansiosta (alun perin käytetty integroitujen piirien tuottamiseen ) MOSFET-teho tuli saataville 1970-luvulla.

Vuonna 1969 Hitachi esitteli ensimmäisen pystysuoran tehon MOSFETin, joka myöhemmin tunnettaisiin nimellä VMOS (V-groove MOSFET). Vuodesta 1974 Yamaha , JVC , Pioneer Corporation , Sony ja Toshiba alkoivat valmistaa MOSFET- tehovahvistimia . International Rectifier esitteli 25 A: n, 400 V: n tehon MOSFETin vuonna 1978. Tämä laite sallii toiminnan suuremmilla taajuuksilla kuin bipolaarinen transistori, mutta se on rajoitettu matalajännitesovelluksiin.

IGBT (IGBT) kehitettiin 1980-luvulla, ja tuli laajalti saataville 1990-luvulla. Tällä komponentilla on bipolaarisen transistorin tehonkäsittelykyky ja teho-MOSFETin eristetyn porttikäytön edut.

Yleiset laitteet

Joitakin yleisiä virtalähteitä ovat teho-MOSFET , tehodiodi , tyristori ja IGBT . Tehodiodi ja teho-MOSFET toimivat samankaltaisilla periaatteilla kuin pienitehoiset kollegansa, mutta kykenevät kuljettamaan suuremman määrän virtaa ja kestävät tyypillisesti suurempaa taaksepäin suuntautuvaa jännitettä poiskytketyssä tilassa .

Voimalaitteessa tehdään usein rakenteellisia muutoksia suuremman virrantiheyden, suuremman tehohäviön ja / tai korkeamman vastakkaisen rikkoutumisjännitteen huomioon ottamiseksi. Suurin osa erillisistä (ts. Integroimattomista) virtalähteistä on rakennettu pystysuoraa rakennetta käyttäen, kun taas pienisignaalilaitteet käyttävät sivuttaista rakennetta. Pystyrakenteessa laitteen nykyinen nimellisarvo on verrannollinen sen pinta-alaan ja jännitteen estokyky saavutetaan muotin korkeudella. Tällä rakenteella yksi laitteen liitännöistä sijaitsee puolijohdemuotin pohjassa .

Teho-MOSFET on yleisin virtalähde maailmassa, koska sillä on pieni porttikäyttöteho, nopea kytkentänopeus ja edistynyt rinnakkaisuus. Sillä on laaja valikoima sähköisiä sähköisiä sovelluksia, kuten kannettavat tietolaitteet , virralla integroidut piirit, matkapuhelimet , kannettavat tietokoneet ja Internetin mahdollistava viestintäinfrastruktuuri . Vuodesta 2010 lähtien teho MOSFET muodostaa suurimman osan (53%) tehotransistorimarkkinoista, jota seuraavat IGBT (27%), sitten RF-vahvistin (11%) ja sitten bipolaarinen liitostransistori (9%).

Puolijohdelaitteet

Laite Kuvaus Arviot
Diodi Yksinapainen, hallitsematon kytkinlaite, jota käytetään sovelluksissa, kuten tasasuuntaus ja piirin suuntavirran hallinta. Käänteinen jännitteen estolaite, joka on yleensä mallinnettu kytkimeksi sarjaan jännitelähteen kanssa, yleensä 0,7 VDC. Mallia voidaan parantaa liittymävastuksella, jotta voidaan ennustaa tarkasti diodin jännitteen pudotus diodin yli virran suhteen. Jopa 3000 ampeeria ja 5000 volttia yhdessä piilaitteessa. Korkea jännite vaatii useita pii-laitteita.
Piin ohjattu tasasuuntaaja (SCR) Tämä puoliohjattu laite käynnistyy, kun hilapulssi on läsnä ja anodi on positiivinen verrattuna katodiin. Kun hilapulssi on läsnä, laite toimii kuin tavallinen diodi. Kun anodi on negatiivinen katodiin verrattuna, laite sammuu ja estää positiiviset tai negatiiviset jännitteet. Porttijännite ei salli laitteen sammumista. Jopa 3000 ampeeria, 5000 volttia yhdessä piilaitteessa.
Tyristori Tyristori on kolmen päätelaitteen perhe, johon kuuluvat SCR: t, GTO: t ja MCT. Useimmissa laitteissa porttipulssi kytkee laitteen päälle. Laite sammuu, kun anodijännite laskee alle laitteen ominaisuuksien määrittämän arvon (suhteessa katodiin). Pois päältä sitä pidetään käänteisen jännitteen estolaitteena.
Portin sammutustyristori (GTO) Portin sammutustyristori, toisin kuin SCR, voidaan kytkeä päälle ja pois päältä porttipulssilla. Yksi ongelma laitteessa on, että virran sammuttaminen on yleensä suurempi ja vaatii enemmän virtaa kuin tasojen kytkeminen päälle. Tämä sammutusjännite on negatiivinen jännite portista lähteeseen, yleensä sen on oltava läsnä vain lyhyen ajan, mutta suuruusluokkaa s suuruusluokkaa 1/3 anodivirrasta. Snubber-piiri tarvitaan käytettävän kytkentäkäyrän aikaansaamiseksi tälle laitteelle. Ilman katkaisupiiriä GTO: ta ei voida käyttää induktiivisten kuormien sammuttamiseen. Nämä laitteet eivät IGCT-tekniikan kehityksen takia ole kovin suosittuja tehoelektroniikan alueella. Niitä pidetään ohjattuina, yksinapaisina ja kaksinapaisina jännitesuojauksina.
Triac Triac on laite, joka on olennaisesti integroitu pari vaiheohjattuja tyristoreita, jotka on kytketty käänteisesti rinnakkain samalle sirulle. Kuten SCR, laite kytkeytyy päälle, kun portin liittimessä on jännitepulssi. Tärkein ero SCR: n ja Triacin välillä on se, että sekä positiivinen että negatiivinen sykli voidaan kytkeä päälle toisistaan ​​riippumatta positiivisen tai negatiivisen hila-pulssin avulla. Samoin kuin SCR: ssä, kun laite kytketään päälle, laitetta ei voi sammuttaa. Tätä laitetta pidetään kaksinapaisena ja käänteisenä jännitteen estona.
Bipolaarinen liitostransistori (BJT) BJT: tä ei voida käyttää suurella teholla; ne ovat hitaampia ja niillä on enemmän resistiivisiä häviöitä verrattuna MOSFET-tyyppisiin laitteisiin. Suuren virran kuljettamiseksi BJT-laitteilla on oltava suhteellisen suuret perusvirrat, joten näillä laitteilla on suuret tehohäviöt verrattuna MOSFET-laitteisiin. BJT: itä ja MOSFET-laitteita pidetään myös yksinapaisina, eivätkä ne estä käänteistä jännitettä kovin hyvin, ellei niitä asenneta pareittain suojadiodien kanssa. Yleensä BJT: itä ei käytetä tehoelektroniikan kytkentäpiireissä johtuen I 2 R -häviöistä, jotka liittyvät vastus- ja perusvirtavaatimuksiin. BJT: llä on pienemmät virranvahvistukset suuritehoisissa paketeissa, mikä edellyttää niiden asettamista Darlingtonin kokoonpanoihin voimalektroniikkapiirien vaatimien virtojen käsittelemiseksi. Näiden useiden transistorikokoonpanojen takia kytkentäajat ovat satoja nanosekunteja mikrosekunteihin. Laitteilla on jännitearvot, jotka maksimoivat noin 1500 V: n, ja melko suuret virranarvot. Ne voidaan myös asettaa rinnakkain tehonkäsittelyn lisäämiseksi, mutta ne on rajoitettava noin viiteen laitteeseen virran jakamista varten.
Teho MOSFET Teho-MOSFETin suurin etu verrattuna BJT: hen on, että MOSFET on tyhjennyskanavalaite, joten jännite, ei virta, on välttämätön johtamisreitin luomiseksi viemäristä lähteeseen. Matalilla taajuuksilla tämä vähentää huomattavasti portin virtaa, koska sitä tarvitaan vain lataamaan portin kapasitanssi kytkennän aikana, vaikka taajuuksien kasvaessa tämä etu pienenee. Suurin osa MOSFET-laitteiden häviöistä johtuu on-resistanssista, voi kasvaa, kun enemmän virtaa virtaa laitteen läpi, ja ovat myös suurempia laitteissa, joiden on tarjottava korkea estojännite. BV dss .

Kytkentäajat vaihtelevat kymmenistä nanosekunnista muutamaan sataan mikrosekuntiin. MOSFET-kytkinlaitteiden nimellisjännitteet vaihtelevat muutamasta voltista hieman yli 1000 V: iin, jopa noin 100 A: n virralla, vaikka MOSFET: itä voidaan rinnakkain lisätä kytkentävirtaa. MOSFET-laitteet eivät ole kaksisuuntaisia ​​eivätkä myöskään päinvastaisia ​​jännitesuojauksia.

Eristetty portti bipolaaritransistori (IGBT) Näillä laitteilla on parhaat MOSFET- ja BJT-ominaisuudet. Kuten MOSFET-laitteissa, eristetyllä hila-bipolaarisella transistorilla on korkea portin impedanssi, joten hilavirran vaatimukset ovat pienet. Kuten BJT-laitteilla, tällä laitteella on alhainen tilan jännitehäviö, mikä on pieni tehohäviö kytkimen yli käyttötilassa. Samoin kuin GTO, IGBT: tä voidaan käyttää sekä positiivisten että negatiivisten jännitteiden estämiseen. Toimintavirrat ovat melko suuria, yli 1500 A ja kytkentäjännite 3000 V asti. IGBT: llä on pienempi tulokapasitanssi kuin MOSFET-laitteilla, mikä parantaa Millerin takaisinkytkentävaikutusta korkean dv / dt-virran kytkemisen ja sammuttamisen aikana.
MOS-ohjattu tyristori (MCT) MOS-ohjattu tyristori on tyristorinen ja se voidaan laukaista päälle tai pois pulssilla MOSFET-portille. Koska tulo on MOS-tekniikkaa, virtaa on hyvin vähän, mikä sallii erittäin alhaisen tehonsäätösignaalin. Laite on rakennettu kahdella MOSFET-tulolla ja parilla BJT-lähtövaiheita. MOSFET-tulot on konfiguroitu sallimaan ohjauksen kytkeminen päälle positiivisen ja negatiivisen puolijakson aikana. Lähtö BJT: t on konfiguroitu mahdollistamaan kaksisuuntainen ohjaus ja matalajännitteinen käänteinen esto. Joitakin MCT: n etuja ovat nopeat kytkentätaajuudet, melko korkea jännite ja keskivirta (noin 100 A).
Integroitu porttikommutoitu tyristori (IGCT) Samanlainen kuin GTO, mutta ilman korkeita virran vaatimuksia kuorman kytkemiseksi päälle tai pois. IGCT: tä voidaan käyttää nopeaan vaihtoon pienellä porttivirralla. Laitteiden korkea tuloimpedanssi johtuu suurelta osin MOSFET-porttiohjaimista. Heillä on alhainen vastusulostulo, joka ei tuhlaa tehoa, ja erittäin nopeat transientit, jotka kilpailevat BJT: n kanssa. ABB-konserniyhtiö on julkaissut näiden laitteiden tietolomakkeet ja toimittanut kuvaukset sisäisestä toiminnasta. Laite koostuu portista, jossa on optisesti eristetty tulo, matalan vastuksen BJT-lähtötransistorit, jotka johtavat pieneen jännitehäviöön ja pieneen tehohäviöön laitteen yli melko korkealla kytkentäjännitteellä ja virtatasolla.

Esimerkki uudesta ABB: n laitteesta osoittaa, kuinka tämä laite parantaa GTO-tekniikkaa suurjännitteen ja suuren virran kytkemiseksi tehoelektroniikan sovelluksissa. ABB: n mukaan IGCT-laitteet pystyvät kytkemään yli 5000 VAC: n ja 5000 A: n virran erittäin korkeilla taajuuksilla, mitä ei voida tehdä tehokkaasti GTO-laitteiden kanssa.

Luokitukset

Kuva 1: Virtalaiteperhe, jossa esitetään päävirtakytkimet.

Voimalaite voidaan luokitella yhteen seuraavista pääluokista (katso kuva 1):

  • Kaksinapainen laite (esim. Diodi ), jonka tila on täysin riippuvainen ulkoisesta virtapiiristä, johon se on kytketty.
  • Kolminapainen laite (esim. Triodi ), jonka tila ei riipu pelkästään sen ulkoisesta virtapiiristä, vaan myös sen käyttöpäätteen signaalista (tämä päätelaite tunnetaan nimellä portti tai tukiasema ).
  • Neljä päätelaitetta (esim. Piiohjattu kytkin -SCS). SCS on eräänlainen tiristori, jolla on neljä kerrosta ja neljä liitintä, joita kutsutaan anodiksi, anodiportiksi, katodiportiksi ja katodiksi. päätelaitteet on kytketty vastaavasti ensimmäiseen, toiseen, kolmanteen ja neljänteen kerrokseen.

Toinen luokitus on vähemmän ilmeinen, mutta sillä on voimakas vaikutus laitteen suorituskykyyn:

  • Enemmistö kantaja laite (esim, Schottky-diodi, MOSFET, jne.); tämä käyttää vain yhden tyyppisiä latauskantajia.
  • Vähemmistövarauksenkuljettajien laite (esim, tyristori, bipolaaritransistori, IGBT, jne.); tämä käyttää sekä enemmistön että vähemmistön kantajia (ts. elektroneja ja elektronireikiä ).

Enemmistön kantolaite on nopeampi, mutta vähemmistön kantolaitteiden lataus injektointi mahdollistaa paremman suorituskyvyn tilassa.

Diodit

Ihanteellisella diodilla tulisi olla seuraavat ominaisuudet:

  • Kun myötäsuuntaisiksi , jännite päätelaitteisiin diodin pitäisi olla nolla, ei väliä, joka virtaa sen läpi (on-state).
  • Kun estoesijännitetyssä , vuotovirran on oltava nolla, ei väliä jännite (off-state).
  • Siirtymisen (tai kommutaation) tilan ja tilan välillä tulisi olla välitön.

Todellisuudessa diodin suunnittelu on kompromissi suorituskyvyn ollessa tilassa, tilan ulkopuolella ja kommutoinneissa. Laitteen saman alueen on todellakin ylläpidettävä estojännitettä poissa-tilassa ja sallittava virran virta päällä-tilassa; koska kahden tilan vaatimukset ovat täysin päinvastaiset, diodi on joko optimoitava yhdelle niistä tai on annettava aikaa vaihtaa tilasta toiseen (ts. kommutointinopeutta on vähennettävä).

Nämä kompromissit ovat samat kaikille voimalaitteille; esimerkiksi Schottky-diodilla on erinomainen kytkentänopeus ja tilan suorituskyky, mutta korkea vuotovirta off-tilassa. Toisaalta PIN-diodia on kaupallisesti saatavana eri kommutointinopeuksilla (joita kutsutaan "nopeiksi" ja "ultranopeiksi tasasuuntaajiksi"), mutta nopeuden lisääntyminen liittyy väistämättä alempaan suorituskykyyn tilassa.

Kytkimet

Kuva 2: Virran / jännitteen / kytkentätaajuusalueet päävirtakytkimistä.

Jännitteen, virran ja taajuusluokitusten välillä on myös kompromisseja kytkimelle. Itse asiassa mikä tahansa tehopuolijohde perustuu PIN-diodirakenteeseen jännitteen ylläpitämiseksi; tämä näkyy kuviosta 2. Teho-MOSFETillä on enemmistön kantolaitteen edut, joten se voi saavuttaa erittäin korkean toimintataajuuden, mutta sitä ei voida käyttää suurilla jännitteillä; koska se on fyysinen raja, ei odoteta parannusta pii- MOSFETin suunnittelussa sen maksimijänniteluokitusten suhteen. Sen erinomainen suorituskyky pienjännitesovelluksissa tekee siitä kuitenkin valitsemansa laitteen (tällä hetkellä ainoa vaihtoehto) sovelluksille, joiden jännite on alle 200 V. Asettamalla useita laitteita rinnakkain, on mahdollista nostaa kytkimen nykyistä arvoa. MOSFET soveltuu erityisen hyvin tähän kokoonpanoon, koska sen positiivinen lämpökerroin johtaa yleensä tasapainoon yksittäisten laitteiden välillä.

IGBT on viime komponentti, joten sen suorituskyky paranee säännöllisesti tekniikka kehittyy. Se on jo kokonaan korvannut kaksisuuntaisen transistorin tehosovelluksissa ; tehomoduuli on saatavilla, joissa useita IGBT laitteet on kytketty rinnan, joten se houkutteleva tehotasojen jopa useita megawattia, joka työntää edelleen raja, jolla tyristorit ja GTO tulla ainoa vaihtoehto. Pohjimmiltaan IGBT on kaksisuuntainen transistori, jota ohjaa teho-MOSFET; sillä on etuja olla vähemmistön kantolaite (hyvä suorituskyky tilassa, jopa suurjännitelaitteissa), MOSFETin suurella tuloimpedanssilla (sitä voidaan käyttää päälle tai pois päältä hyvin pienellä virralla) .

IGBT: n tärkein rajoitus pienjännitesovelluksissa on korkea jännitehäviö, jota se näyttää tilassa (2 - 4 V). MOSFETiin verrattuna IGBT: n toimintataajuus on suhteellisen alhainen (yleensä korkeintaan 50 kHz), lähinnä virran katkaisun aikana tunnetun ongelman vuoksi, joka tunnetaan nykyisenä pyrstönä : Johtovirran hidas hajoaminen sammutustulosten aikana useiden kantajien hitaasta rekombinaatiosta, jotka tulvivat IGBT: n paksun "drift" -alueen johtamisen aikana. Nettotulos on, että IGBT: n kytkentähäviö on huomattavasti suurempi kuin sen kytkentähäviö. Yleensä taulukoissa virrankatkaisuenergia mainitaan mitattuna parametrina; tämä luku on kerrottava aiotun sovelluksen kytkentätaajuudella sammutushäviön arvioimiseksi.

Hyvin suurilla tehotasoilla tyristoripohjaista laitetta (esim. SCR , GTO, MCT jne.) Käytetään edelleen usein. Tämä laite voidaan kytkeä päälle käyttöpiirin tuottamalla pulssilla, mutta sitä ei voida sammuttaa poistamalla pulssi. Tyristori sammuu heti, kun sen läpi ei enää virtaa virtaa; tämä tapahtuu automaattisesti vaihtovirtajärjestelmässä jokaisessa jaksossa tai vaatii piirin, jolla on välineet virran ohjaamiseksi laitteen ympärille. Sekä MCT: t että GTO: t on kehitetty tämän rajoituksen voittamiseksi, ja niitä käytetään laajalti sähkönjakelusovelluksissa .

Muutamia tehopuolijohdesovelluksia kytkintilassa ovat lampun himmentimet , kytkinmoodin virtalähteet , induktioliedet , autojen sytytysjärjestelmät ja kaikenkokoiset AC- ja DC-sähkömoottorikäytöt.

Vahvistimet

Vahvistimet toimivat aktiivisella alueella, jossa sekä laitteen virta että jännite ovat nollasta poikkeavia. Tämän seurauksena teho haihtuu jatkuvasti ja sen suunnittelua hallitsee tarve poistaa ylimääräinen lämpö puolijohdelaitteesta. Tehovahvistinlaitteet voidaan usein tunnistaa laitteiden kiinnittämiseen käytetyn jäähdytyselementin avulla. Tehopuolijohdevahvistinlaitteita on useita, kuten bipolaarinen liitostransistori, pystysuora MOS-kenttätransistori ja muut. Yksittäisten vahvistinlaitteiden tehotasot vaihtelevat jopa satoihin watteihin ja taajuusrajat alempiin mikroaaltokaistoihin . Täydellinen äänitehovahvistin, jossa on kaksi kanavaa ja joiden nimellisteho on luokkaa kymmeniä wattia, voidaan laittaa pieneen integroituun piiripakettiin, joka vaatii vain muutaman ulkoisen passiivisen komponentin toimiakseen. Toinen tärkeä aktiivimoodivahvistimien sovellus on lineaarisesti säädetyissä virtalähteissä, kun vahvistinlaitetta käytetään jännitteen säätimenä kuormitusjännitteen ylläpitämiseksi halutulla asetuksella. Vaikka tällainen virtalähde voi olla vähemmän energiatehokas kuin kytketyn tilan virtalähde , sovelluksen yksinkertaisuus tekee niistä suosittuja, varsinkin noin 1 ampeerin virtatasoilla.

Parametrit

Virtalaite on yleensä kiinnitetty jäähdytyselementtiin toimintahäviöiden aiheuttaman lämmön poistamiseksi.
Kolmipäätelaitteen (IGBT, MOSFET tai BJT) puolijohdemuotti. Kaksi kosketinta on muotin päällä, loput takana.
  1. Hajoamisjännite : Usein rikkoutumisjännitteen luokituksen ja on-resistanssin välillä on kompromissi, koska rikkoutumisjännitteen lisääminen sisällyttämällä paksumpi ja matalampi seostettu driftialue johtaa suurempaan vastukseen.
  2. Käynnistysresistanssi : Suurempi virtaluokitus alentaa vastusvastusta johtuen suuremmasta määrästä rinnakkaisia ​​soluja. Tämä lisää kapasitanssia ja hidastaa nopeutta.
  3. Nousu- ja laskuajat : Aika, joka kuluu vaihtaessa tilan ja tilan välillä.
  4. Turvallisesti toimiva alue : Tämä on lämpöhäviö ja "lukittuminen".
  5. Lämmönkestävyys : Tämä on usein ohitettu, mutta käytännön suunnittelun kannalta erittäin tärkeä parametri; puolijohde ei toimi hyvin korotetussa lämpötilassa, ja silti suuren virranjohtamisen vuoksi tehopuolijohdelaite lämpenee poikkeuksetta. Siksi tällaiset laitteet on jäähdytettävä poistamalla tuo lämpö jatkuvasti; pakkaus- ja jäähdytyselementtitekniikka tarjoavat keinot lämmön poistamiseksi puolijohdelaitteesta johtamalla se ulkoiseen ympäristöön. Yleensä suurella nykyisellä laitteella on suuri muotti ja pakkauksen pinta-ala ja pienempi lämpövastus.

Tutkimus ja kehitys

Pakkaus

Pakkausten tehtävä on:

  • kytke muotti ulkoiseen piiriin.
  • tarjota tapa poistaa laitteen tuottama lämpö.
  • suojaa muotti ulkoiselta ympäristöltä (kosteudelta, pölyltä jne.).

Monet virtalähteen luotettavuuskysymykset liittyvät joko liialliseen lämpötilaan tai lämpösyklin aiheuttamaan uupumukseen. Tällä hetkellä tutkitaan seuraavia aiheita:

Tutkimusta jatketaan myös sähkökysymyksistä, kuten pakkausten loisinduktanssin vähentämisestä; tämä induktanssi rajoittaa toimintataajuutta, koska se tuottaa häviöitä kommutoinnin aikana.

Pienjännitteistä MOSFETiä rajoittaa myös sen pakkauksen loisresistanssi, koska sen sisäinen vastus tilassa on vain yksi tai kaksi milliohmia.

Jotkut yleisimmistä tehopuolijohdepaketeista sisältävät TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D 2 Pak jne.

Rakenteiden parantaminen

IGBT-mallia kehitetään edelleen, ja sen voidaan odottaa lisäävän käyttöjännitteitä. Alueen suuritehoisessa päässä MOS-ohjattu tyristori on lupaava laite. Saavutetaan merkittävä parannus tavanomaiseen MOSFET-rakenteeseen verrattuna superliitoksen varaustasapainoperiaatteella: se antaa pohjimmiltaan voimaa MOSFETin paksulle ajovyöhykkeelle seostuksen, mikä vähentää sähkövastusta elektronivirralle vaarantamatta rikkoutumisjännitettä. Tämä rinnastetaan alueeseen, joka on samalla tavalla seostettu vastakkaiseen kantajan napaisuuteen ( reiät ); nämä kaksi samanlaista, mutta vastakkaisesti seostettua aluetta peruuttavat tehokkaasti mobiilimaksunsa ja kehittävät 'köyhdytetyn alueen', joka tukee korkeaa jännitettä off-tilassa. Toisaalta tilan aikana drift-alueen korkeampi seostus sallii kantajien helpon virtauksen ja vähentää siten vastustuskykyä. Yritykset, kuten Infineon (CoolMOS-tuotteet) ja International Rectifier (IR) , ovat kehittäneet tähän superliitäntäperiaatteeseen perustuvia kaupallisia laitteita .

Laajakaistaiset aukot puolijohteet

Suurimman läpimurron tehopuolijohdelaitteissa odotetaan piin korvaamisesta laajakaistaisella puolijohteella. Tällä hetkellä, piikarbidi (SIC) pidetään kaikkein lupaava. SiC-Schottky-diodia, jonka rikkoutumisjännite on 1200 V, on kaupallisesti saatavana, samoin kuin 1200 V: n JFET: ää . Koska molemmat ovat enemmistön kantolaitteita, ne voivat toimia suurella nopeudella. Kaksisuuntaista laitetta kehitetään suuremmille jännitteille (enintään 20 kV). Sen etuina piikarbidi voi toimia korkeammassa lämpötilassa (jopa 400 ° C) ja sillä on pienempi lämmönkestävyys kuin piillä, mikä mahdollistaa paremman jäähdytyksen.

Katso myös

Huomautuksia ja viitteitä

Huomautuksia

Viitteet

Ulkoiset linkit