A tranzisztorok igényeinek értése a modern áramátviteli konverzióban

Azoknak, akik váltóáramú tápegységeket (SMPS) terveznek, az mintha egy készsíkon járnának. Három fontos dolog között kell egyensúlyt találniuk: a hatékonyság, a méret és a megbízhatóság. És pontosan ezen az egyensúlyi trükkön lévő a tranzisztor. A tranzisztorra úgy gondolhatsz, mint a főkapcsolóra a tápegységrendszerben. Nagy hatással van három kulcsfontosságú teljesítményszempontjára. Az első a teljesíté Friedmann konverziós hatékonysága. Ugyanúgy, ahogy azt szeretnéd, hogy a személygépkocso maximális menetortatmenetet érjen el, mi is azt akarjuk, hogy a tápegység a lehető legjobb hatékonysággal konvertálja az elektromos energiat, minimálisan pazarlva. A második az elektromossági zavarás (EMI) jellemzői. Nem akarjuk, hogy a tápegységünk olyan legyen, mint egy zajos szomszéd, amely zavarja a környezetében lévő más elektronikai eszközöket. És harmadszor a hőmérsékleti stabilitás. A hő az elektronikában valóban problémát okozhat, és azt kellene, hogy a tranzisztor stabil maradjon, még akkor is, ha forró lesz. A mai modern teljesítménykonverziós rendszerekben a követelmények transzistorok viszonylag magasak. Gyorsan kellene, hogy tudják kikapcsolni és bekapcsolni a frekvenciák 200 kHz-nál is felül. Egyszerre azonban a vezetési veszteségeket is minimalizálni kell. Olyan, mintha egy atleta-tól kérnénk, hogy gyorsan fusson, miközben minél kevesebb energiát használjon. Ez a sebesség és hatékonyság igénye együtt teszi a megfelelő tranzisztor kiválasztását nehézkes feladattá.

Légszinten fontos paraméterek a tranzisztor teljesítményéhez

Nos, amikor egy sikeres VÁLTÓáramú tápegységet tervezünk, hol kezdjük? Minden abban rejlik, hogy nézzenk meg a tranzisztor négy alapvető jellemzőjét. Az első a törésfeszültségérték. Ezt úgy képzelheted el, mint a maximális feszültséget, amit a tranzisztor kezel anélkül, hogy károsodna. Olyan, mint egy csatorna, amely bizonyos mennyiségű vizet tartalmazhat. A tápegység-tervezésben, különösen a flyback topológiákban, ahol feszültségspike-ek fordulhatnak elő, a tranzisztor törésfeszültségértéke magasabb kell legyen a csúcsbeli bemeneti feszültségnél, és jótítható biztonsági margóval. Nem akarjuk, hogy a „csatorna” megtörjön! A második jellemző a áramerősség kezelési képessége. A tranzisztonak képesnek kell lennie az általános folyamatos működés során és azokban a rövid ideig tartó, de intenzív átmeneti szünetekben áramló áram kezelésére. És figyelni kell a hőstresszhez kapcsolódó derating tényezőkre is. Ugyanúgy, ahogy egy ember megerőszakadhat, és rosszabban teljesíthet forró időjárásban, a tranzisztor teljesítménye befolyásolható a hőséggel. A kapcsolási sebesség paraméterei, például a növekedési és csökkenési idők, szintén nagyon fontosak. Ezek közvetlenül befolyásolják, milyen jól tudja a tranzisztor magas frekvenciákon működni. Minél gyorsabb a kapcsolás, annál jobb a hatékonyság magas frekvenciákon. De van egy apró probléma. Gyorsabb kapcsolás lehet, hogy bonyolultabb és fejlettabb kapcsorozási hardverrel jár. Olyan, mint egy nagy teljesítményű autó, amelynek fejlett motorkezelő rendszerre van szüksége. Végül a visszafelé való helyreállítási jellemzők érdekességek, különösen a hidak konfigurációiban. Amikor a tranzisztor ki van kapcsolva, lehet, hogy marad egy részleti töltés, ami áthaladó áramokat okozhat. A visszafelé való helyreállítási jellemzők segítenek ezen helyzet kezelésében, olyan, mint egy közlekedési rendőr, aki irányítja a forgalom folyamatát, hogy baleseteket kerüljön.

A kapcsoló áramkörök gyakori tervezési kihívásainak kezelése

Most, hogy már tudjuk, mit keresünk egy tranzisztorban, beszéljünk arról a kihívásokról, amelyek járulnak hozzá a kapcsoló áramkörök tervezéséhez. Az egyik legnagyobb fejszorítás a hőmenedzsment. Ahogy több erőt próbálunk egyre kisebb térbe csomagolni (a teljesítménysűrűség határértékei eléréséig), a hő egy fő problémává válik. Olyan, mint egy kis, túltelepült szoba forró napon. Ennek kezelése érdekében hatékony hőelviteli stratégiákat kell kidolgoznunk. Ez azt jelenti, hogy a tranzisztor megfelelő csomagjának és a PCB elhelyezésének optimalizálásának kell része lennie. Használni is tudjuk például a hőcsatornákat, amelyek olyan kis áramúton keresztül engedik a hőnek, hogy menjen ki, valamint a rézfedést, ami olyan nagy hőfogadó tálcát alkot, hogy a lehető legszinkronibb módon távolítsa el a hőt a tranzisztorról. Másik dolog, amire figyelnünk kell, az a kapcsolási veszteségek, különösen magas frekvenciákon. Minden alkalommal, amikor a tranzisztor be- vagy kikapcsolódik, van néhány veszteség. És magas frekvencián ezek a veszteségek igazán összegezhetők, és jelentős részét képezik a teljes teljesítmény elvesztésének. Ennek kezelése érdekében előrehaladott kapcsoló technikákat használhatunk. Például az adaptív dead-time vezérlés módosíthatja a kapcsolás közötti időt a veszteségek csökkentése érdekében, és az aktív Miller klamp áramkör megakadályozza a nem kívánt bekapcsolódási eseményeket. Olyan, mintha egy okos rendszerrel rendelkezne, amely önállóan tudja módosítani magát jobb teljesítmény érdekében.

A tranziátor teljesítményének optimalizálása konkrét topológiák számára

A különböző SMPS architektúrák olyanok, mint a házak különféle típusai, mindegyiknek megvannak a saját egyedi igényei. A buck átalakítók például olyanok, mint egy egyszerű, hatékony ház. Ezeknek valóban szükségük van transzistorok alacsony RDS(on) jellemzőkkel rendelkező tranzisztorokra. Ez fontos, mert ez segít csökkenteni a veszteségeket a folyamatos áramlási idő alatt. Olyan, mint egy jól szigetelt ház, amely nem enged ki sok hőt. A boost és flyback topológiák inkább hasonlítanak egy erősebb, ipari stílusú házra. Ezeknek szintén szükségük van transzistorok erős lavinaberendezési energiaszinttel rendelkeznek. Ennek az az oka, hogy el kell viselniük az induktív terhelésekből származó feszültségcsúcsokat, éppen úgy, mint ahogy egy erős épület ellenállhat egy viharnak. A rezonáns átalakító kialakítás hasonló egy magas technológiai, energiahatékony házhoz. Ezek előnyben részesítik a tranzisztorokat lágy kapcsolási képességekkel. Ez csökkenti a tranzisztorra nehezedő terhelést az átmeneti fázisok alatt, és így az egész rendszer hatékonyabbá válik. Többfázisú rendszerek esetén pedig, amelyek hasonlók egy nagy lakóépülethez több lakással, biztosítani kell, hogy a párhuzamos eszközök paraméterei szorosan összehangoltak legyenek. Ez biztosítja, hogy az áramot egyenletesen ossza meg minden „lakás” között, éppen úgy, ahogy szeretnénk, hogy az épület minden lakása egyenlő arányban jusson hozzá az erőforrásokhoz.

Hőmérsékleti tekintetek és megbízhatósági fejlesztések

Amikor a hőmérsékleti tervezésről van szó, nem csak arról van szó, hogy melyik tranzisztorra tesszük a törésvonalat. Az egész rendszerre gondolni kell. A tervezők figyelembe kell venniük azt az utat, amelyen a hő eljut a tranzisztor csomópontjából (ahol valójában zajlik az elektronikai tevékenység) a környezetbe. Olyan, mint egy szállítási kamion útvonalának terve, hogy gyorsan el tudjon jutni a gyárból az ügyfélhez. Használhatunk hőleválasztó megoldásokat, amelyek olyan nagy hűtőfülök, amelyek segítségével ezt el lehet érni. És ezeknek a megoldásoknak illeszkedniük kell a tápegység működési ciklusaira. A dinamikus hőfigyelési technikák is nagyon hasznosak. Olyan, mintha otthon termostatot lenne, amely a külső hőmérséklet alapján állíthatja be a hőmérsékletet. A változó terhelésű alkalmazásokban ezek a technikák engedélyezhetik az adaptív hűtési stratégiakat. És ahelyett, hogy csak a környezeti hőmérsékletre (mint a ház kívüli hőmérsékletre) tekintenénk, a tranzisztor valós működési hőmérsékleteire alapozott lecsengési irányelvek implementálása jelentős mértékben javíthatja a hosszú távú megbízhatóságát. A fejlett csomagolási technológiák, például a klipper kötés és a ezüst süllyesztes, újabb, javított építési anyagok, mint amelyekkel csökkenthető a hőellenállás magas áramos alkalmazásokban, ami sokkal hatékonyabbá és megbízhatóbbá teszi az egész rendszert.

A jövő tendenciái a villamos kapcsolástechnológia területén

A teljesítmény-váltási technológia világa folyamatosan változik, és jelenleg néhány nagyon izgalmas dolog vár rákon. A felbukkanó széles bandkép-szemiconductors olyan új, forradalmi építési anyag, mint a teljesítmény tranzisztorok számára. A gallium nitride (GaN) eszközök például szuperszínesek. Nagyszerű váltási sebességük és csökkentett kapcsoló jellemzőik vannak. Ez azt jelenti, hogy MHz-tartományú frekvenciákon működhetnek jobb hatékonysággal. Olyan, mintha egy szuperszínű sportautót lenne, amelyet nagy üzemanyagi hatékonysággal. A szilícium-kárbid (SiC) komponensek egy másik érdekes fejlődés. Olyan, mint egy erős, hőálló anyag. Kiváló hővezetékenységet kínálnak és magas hőmérsékletet bírnak el, ami tökéletes ipari alkalmazásokhoz. Jelenleg ezek a technológiák egy kicsit drágábbak, mint egy luxus tárgy. De ahogy az idő múlik, fejlődnek, hogy költségek szempontjából hatékonyabbak legyenek. Az évek során talán megváltoztatják azt, ahogyan a pályázati forrásokat tervezzük, mint ahogy egy új feltalálás megváltoztathatja azt, hogyan élünk életünket.