Výkonové polovodičové zařízení - Power semiconductor device - Wikipedia

A výkonové polovodičové zařízení je polovodičové zařízení používá se jako přepínač nebo usměrňovač v výkonová elektronika (například v a spínaný napájecí zdroj ). Takové zařízení se také nazývá a napájecí zařízení nebo, pokud se používá v integrovaný obvod, a výkonový IC.

Výkonové polovodičové zařízení se obvykle používá v „komutačním režimu“ (tj. Je buď zapnuto, nebo vypnuto), a proto má design optimalizovaný pro takové použití; obvykle by se neměl používat v lineárním provozu. Lineární napájecí obvody jsou velmi rozšířené jako regulátory napětí, zvukové zesilovače a vysokofrekvenční zesilovače.

Výkonové polovodiče se nacházejí v systémech poskytujících pouhý pár desítek milwattů pro sluchátkový zesilovač, a to až kolem gigawattu za stejnosměrný proud vysokého napětí přenosové vedení.

Dějiny

První polovodičové zařízení používané v silových obvodech bylo elektrolytický usměrňovač - ranou verzi popsal francouzský experimentátor A. Nodon v roce 1904. Ty byly krátce oblíbené u raných rádiových experimentátorů, protože mohly být improvizovány z hliníkových plechů a chemikálií pro domácnost. Měli nízké výdržné napětí a omezenou účinnost.[1]

První polovodičová výkonová polovodičová zařízení v pevné fázi byly usměrňovače oxidu měďnatého, používané v časných nabíječkách baterií a napájecích zdrojích rádiových zařízení, oznámených v roce 1927 L.O. Grundahl a P. H. Geiger.[2]

První germanium výkonové polovodičové zařízení se objevilo v roce 1952 zavedením výkonu dioda podle R.N. sál. Měl schopnost blokovat zpětné napětí 200 PROTI a a současné hodnocení ze dne 35 A.

Germanium bipolární tranzistory se značnými schopnostmi manipulace s výkonem (100 mA kolektorový proud) byly zavedeny kolem roku 1952; s v podstatě stejnou konstrukcí jako signální zařízení, ale s lepším chlazením. Schopnost manipulace s výkonem se rychle vyvinula a do roku 1954 byly k dispozici spojovací tranzistory ze slitiny germania se ztrátou 100 wattů. Jednalo se o relativně nízkofrekvenční zařízení, používaná až do zhruba 100 kHz a teplota spojení až 85 stupňů Celsia.[3] Silikonové výkonové tranzistory byly vyrobeny až v roce 1957, ale pokud byly k dispozici, měly lepší frekvenční odezvu než germánská zařízení a mohly pracovat až do teploty spojení 150 C.

The tyristor objevil se v roce 1957. Je schopen odolat velmi vysokému zpátečce průrazné napětí a je také schopen nést vysoký proud. Jednou nevýhodou tyristoru ve spínacích obvodech je však to, že jakmile se ve vodivém stavu „zablokuje“; nelze jej vypnout externím ovládáním, protože vypnutí tyristoru je pasivní, tj. napájení musí být odpojeno od zařízení. Volaly tyristory, které bylo možné vypnout tyristory pro vypnutí brány (GTO), byly zavedeny v roce 1960.[4] Ty překonávají některá omezení běžného tyristoru, protože je lze zapnout nebo vypnout pomocí aplikovaného signálu.

Napájení MOSFET

Hlavní článek: Napájení MOSFET
Viz také: Zesilovač FET, Bipolární tranzistor s izolovanou bránou, MOSFET, LDMOS, a VMOS

Průlom v oblasti výkonové elektroniky přišel s vynálezem MOSFET (tranzistor s efektem pole-oxid-polovodičové pole) od Mohamed Atalla a Dawon Kahng na Bell Labs v roce 1959. Generace tranzistorů MOSFET umožnily návrhářům energie dosáhnout úrovně výkonu a hustoty, které u bipolárních tranzistorů nejsou možné.[5] Kvůli vylepšením technologie MOSFET (původně používaná k výrobě integrované obvody ), výkonový MOSFET byly k dispozici v 70. letech.

V roce 1969 Hitachi představil první vertikální výkonový MOSFET,[6] který by později byl známý jako VMOS (V-drážka MOSFET).[7] Od roku 1974 Yamaha, JVC, Pioneer Corporation, Sony a Toshiba zahájila výrobu audio zesilovače s výkonovými MOSFETy.[8] Mezinárodní usměrňovač představil 25 A, 400 V výkonový MOSFET v roce 1978.[9] Toto zařízení umožňuje provoz při vyšších frekvencích než bipolární tranzistor, ale je omezeno na aplikace s nízkým napětím.

The Bipolární tranzistor s izolovanou bránou (IGBT) byl vyvinut v 80. letech 20. století a široce dostupný v 90. letech. Tato součást má schopnost manipulace s výkonem bipolárního tranzistoru a výhody izolovaného hradlového pohonu výkonového MOSFET.

Běžná zařízení

Některá běžná napájecí zařízení jsou výkonový MOSFET, Napájení dioda, tyristor, a IGBT. Výkonová dioda a výkonový MOSFET fungují na podobných principech jako jejich protějšky s nízkým výkonem, ale jsou schopné nést větší množství proudu a jsou obvykle schopné odolat většímu proudu reverzní zkreslení napětí v mimo stát.

Ve výkonovém zařízení se často provádějí strukturální změny, aby se přizpůsobila vyšší hustotě proudu, vyšší ztrátě energie a / nebo vyššímu zpětnému průraznému napětí. Drtivá většina oddělený (tj. neintegrovaná) napájecí zařízení jsou konstruována pomocí svislé konstrukce, zatímco zařízení s malým signálem využívají boční konstrukci. S vertikální strukturou je jmenovitý proud zařízení úměrný jeho ploše a schopnosti blokování napětí je dosaženo ve výšce matrice. S touto strukturou je jedno ze spojení zařízení umístěno na spodní straně polovodičová matrice.

Výkonový MOSFET je nejběžnějším napájecím zařízením na světě, a to díky nízkému výkonu pohonu brány, rychlé rychlosti přepínání a pokročilé paralelní schopnosti.[10] Má širokou škálu výkonové elektronické aplikace, například přenosné informační zařízení, výkonové integrované obvody, mobily, notebooky a komunikační infrastruktura který umožňuje Internet.[11] Od roku 2010 tvoří výkonový MOSFET většinu (53%) trhu výkonových tranzistorů, následuje IGBT (27%), poté RF zesilovač (11%) a poté bipolární spojovací tranzistor (9%).[12]

Polovodičová zařízení

přístrojPopisHodnocení
DiodaUni-polární, nekontrolované spínací zařízení používané v aplikacích, jako je usměrňování a řízení směrového proudu obvodu. Zařízení pro blokování zpětného napětí, běžně modelované jako přepínač v sérii se zdrojem napětí, obvykle 0,7 VDC. Model lze vylepšit tak, aby zahrnoval odpor spojení, aby bylo možné přesně předpovědět pokles napětí diody přes diodu s ohledem na tok proudu.Až 3 000 ampérů a 5 000 voltů v jednom křemíkovém zařízení. Vysoké napětí vyžaduje víceřadá křemíková zařízení.
Usměrňovač řízený křemíkem (SCR)Toto částečně řízené zařízení se zapne, když je přítomen hradlový puls a anoda je kladná ve srovnání s katodou. Pokud je přítomný hradlový puls, zařízení funguje jako standardní dioda. Když je anoda záporná ve srovnání s katodou, zařízení se vypne a zablokuje přítomné kladné nebo záporné napětí. Napětí hradla neumožňuje vypnutí zařízení.[13]Až 3 000 ampérů, 5 000 voltů v jednom křemíkovém zařízení.
TyristorTyristor je rodina tří koncových zařízení, která zahrnují SCR, GTO a MCT. U většiny zařízení zařízení zapíná pulz brány. Zařízení se vypne, když napětí anody poklesne pod hodnotu (vzhledem ke katodě) určenou charakteristikami zařízení. Když je vypnuto, považuje se to za zařízení blokující zpětné napětí.[13]
Tyristor pro vypnutí brány (GTO)Tyristor pro vypnutí brány, na rozdíl od SCR, lze zapnout a vypnout pomocí pulzu brány. Jedním problémem zařízení je, že napětí na vypnutí brány jsou obvykle větší a vyžadují více proudu než úrovně zapnutí. Toto vypínací napětí je záporné napětí od brány ke zdroji, obvykle musí být přítomno pouze na krátkou dobu, ale velikost s je řádově 1/3 anodového proudu. K zajištění použitelné spínací křivky pro toto zařízení je nutný tlumící obvod. Bez tlumícího obvodu nelze GTO použít k vypínání indukčních zátěží. Tato zařízení z důvodu vývoje technologie IGCT nejsou v oblasti výkonové elektroniky příliš populární. Jsou považovány za řízené, jednopolární a bipolární blokování napětí.[14]
TriakTriak je zařízení, které je v podstatě integrovanou dvojicí fázově řízených tyristorů připojených inverzně-paralelně na stejném čipu.[15] Stejně jako SCR, když je na terminálu brány přítomen napěťový impuls, zařízení se zapne. Hlavní rozdíl mezi SCR a Triakem spočívá v tom, že pozitivní i negativní cyklus lze zapnout nezávisle na sobě pomocí kladného nebo záporného hradlového impulzu. Podobně jako SCR, jakmile je zařízení zapnuto, nelze jej vypnout. Toto zařízení je považováno za bipolární a reverzní blokování napětí.
Bipolární spojovací tranzistor (BJT)BJT nelze použít při vysokém výkonu; jsou pomalejší a mají větší odporové ztráty ve srovnání se zařízeními typu MOSFET. Pro přenos vysokého proudu musí mít BJT relativně velké základní proudy, takže tato zařízení mají ve srovnání se zařízeními MOSFET vysoké ztráty energie. BJT spolu s MOSFETy, jsou také považovány za unipolární[vyjasnit ] a neblokujte velmi dobře zpětné napětí, pokud není instalováno ve dvojicích s ochrannými diodami. Obecně se BJT nepoužívají ve spínacích obvodech výkonové elektroniky kvůli I2Ztráty R spojené s požadavky na odpor a základní proud.[13] BJT mají nižší proudové zisky ve vysoce výkonných pouzdrech, což vyžaduje, aby byly nastaveny v konfiguracích Darlington, aby zvládly proudy požadované výkonovými elektronickými obvody. Kvůli těmto více konfiguracím tranzistorů jsou doby přepínání ve stovkách nanosekund až mikrosekund. Zařízení mají jmenovité napětí, které dosahuje maximálně 1 500 V a poměrně vysoké jmenovité hodnoty proudu. Mohou být také paralelně uspořádány, aby se zvýšila manipulace s výkonem, ale pro současné sdílení musí být omezeno na přibližně 5 zařízení.[14]
Napájení MOSFETHlavní výhodou výkonového MOSFETu ve srovnání s BJT je to, že MOSFET je zařízení s vyčerpávajícím kanálem, a proto je pro vytvoření vodivé cesty z odtoku ke zdroji nezbytné napětí, nikoli proud. Při nízkých frekvencích to značně snižuje hradlový proud, protože se vyžaduje pouze nabíjení hradlová kapacita během přepínání, i když se zvyšující se frekvence se tato výhoda snižuje. Většina ztrát v MOSFETech je způsobena odporem, může se zvyšovat, jak více proudu protéká zařízením a jsou také větší u zařízení, která musí poskytovat vysoké blokovací napětí. BVdss.

Spínací časy se pohybují od desítek nanosekund do několika set mikrosekund. Jmenovitá napětí pro spínací zařízení MOSFET se pohybují od několika voltů do něco málo přes 1 000 V, s proudy až přibližně 100 A nebo tak, ačkoli MOSFET lze paralelně zvýšit pro zvýšení spínacího proudu. Zařízení MOSFET nejsou obousměrná ani neblokují reverzní napětí.[14]

Bipolární tranzistor s izolovanou bránou (IGBT)Tato zařízení mají nejlepší vlastnosti MOSFETů a BJT. Stejně jako zařízení MOSFET má izolovaný hradlový bipolární tranzistor vysokou impedanci hradla, tedy nízké požadavky na hradlový proud. Stejně jako BJT má toto zařízení nízký pokles napětí na stavu, a tedy nízkou ztrátu energie přes přepínač v provozním režimu. Podobně jako GTO lze IGBT použít k blokování kladného i záporného napětí. Provozní proudy jsou poměrně vysoké, přesahují 1 500 A a spínací napětí až 3 000 V.[14] IGBT má sníženou vstupní kapacitu ve srovnání se zařízeními MOSFET, což zlepšuje efekt zpětné vazby Miller během zapínání a vypínání vysokého dv / dt.[15]
MOS řízený tyristor (MCT)Tyristor řízený MOS je tyristorový a může být spuštěn nebo vypnut pulzem do brány MOSFET.[15] Vzhledem k tomu, že vstupem je technologie MOS, dochází k velmi malému toku proudu, což umožňuje velmi nízké řídicí signály. Zařízení je konstruováno se dvěma vstupy MOSFET a dvojicí výstupních stupňů BJT. Vstupní MOSFETy jsou konfigurovány tak, aby umožňovaly ovládání zapnutí během kladných a záporných polovičních cyklů. Výstupní BJT jsou nakonfigurovány tak, aby umožňovaly obousměrné ovládání a reverzní blokování nízkého napětí. Některé výhody MCT jsou rychlé spínací frekvence, poměrně vysoké napětí a střední proud (kolem 100 A nebo tak).
Integrovaný tyristor komutovaný s hradlem (IGCT)Podobně jako GTO, ale bez vysokých proudových požadavků pro zapnutí nebo vypnutí zátěže. IGCT lze použít pro rychlé přepínání s malým proudem brány. Zařízení mají vysokou vstupní impedanci hlavně díky ovladačům brány MOSFET. Mají výstupy s nízkým odporem, které neztrácejí energii, a velmi rychlé přechodné časy, které se vyrovnají časům BJT. ABB Group společnost zveřejnila datové listy pro tato zařízení a poskytla popis vnitřního fungování. Zařízení se skládá z brány s opticky izolovaným vstupem, výstupními tranzistory s nízkým odporem BJT, které vedou k nízkému poklesu napětí a nízké ztrátě energie v zařízení při poměrně vysokých úrovních spínacího napětí a proudu.

Příklad tohoto nového zařízení od ABB ukazuje, jak toto zařízení vylepšuje technologii GTO pro přepínání vysokého napětí a vysokého proudu v aplikacích výkonové elektroniky. Podle ABB jsou zařízení IGCT schopna přepínat více než 5 000 VAC a 5 000 A při velmi vysokých frekvencích, což u zařízení GTO není možné efektivně.[16]

Klasifikace

Obr. 1: Rodina výkonových zařízení zobrazující hlavní vypínače.

Napájecí zařízení lze klasifikovat jako jednu z následujících hlavních kategorií (viz obrázek 1):

  • Dvoukoncové zařízení (např dioda ), jehož stav je zcela závislý na externím napájecím obvodu, ke kterému je připojen.
  • Tříkoncové zařízení (např trioda ), jehož stav závisí nejen na jeho externím napájecím obvodu, ale také na signálu na jeho budicí svorce (tato svorka je známá jako brána nebo základna).
  • Čtyři koncové zařízení (např. Silicon Controlled Switch -SCS). SCS je typ tyristoru se čtyřmi vrstvami a čtyřmi svorkami nazývanými anoda, anodová hradla, katodová hradla a katoda. svorky jsou připojeny k první, druhé, třetí a čtvrté vrstvě.[17]

Jiná klasifikace je méně zřejmá, ale má silný vliv na výkon zařízení:

  • A zařízení většinového dopravce (např. Schottkyho dioda, MOSFET atd.); používá se pouze jeden typ nosičů poplatků.
  • A zařízení menšinového dopravce (např. tyristor, bipolární tranzistor, IGBT atd.); používá se většinový i menšinový dopravce (tj. elektrony a elektronové díry ).

Většinové nosné zařízení je rychlejší, ale nabíjení minoritních nosných zařízení umožňuje lepší výkon v zapnutém stavu.

Diody

Ideál dioda by měl mít následující vlastnosti:

  • Když předpjatý, napětí na koncových svorkách diody by mělo být nulové, bez ohledu na proud, který jím protéká (zapnuto).
  • Když obráceně předpjatý, svodový proud by měl být nulový, bez ohledu na napětí (vypnutý stav).
  • Přechod (nebo komutace) mezi zapnutým a vypnutým stavem by měl být okamžitý.

Ve skutečnosti je návrh diody kompromisem mezi výkonem v zapnutém stavu, vypnutém stavu a komutací. Ve skutečnosti musí stejná oblast zařízení udržovat blokovací napětí ve vypnutém stavu a umožňovat tok proudu v zapnutém stavu; protože požadavky na oba stavy jsou zcela opačné, musí být dioda buď optimalizována pro jeden z nich, nebo musí být ponechán čas na přepnutí z jednoho stavu do druhého (tj. rychlost komutace musí být snížena).

Tyto kompromisy jsou stejné pro všechna napájecí zařízení; například a Schottkyho dioda má vynikající spínací rychlost a výkon v zapnutém stavu, ale vysokou úroveň svodového proudu ve vypnutém stavu. Na druhou stranu a PIN dioda je komerčně dostupný v různých rychlostech komutace (které se nazývají „rychlé“ a „ultrarychlé“ usměrňovače), ale jakékoli zvýšení rychlosti je nutně spojeno s nižším výkonem v zapnutém stavu.

Přepínače

Obr.2: Proudové / napěťové / spínací frekvenční domény hlavních výkonových elektronických spínačů.

U přepínače existují také kompromisy mezi hodnotami napětí, proudu a frekvence. Ve skutečnosti se jakýkoli výkonový polovodič spoléhá na strukturu PIN diody, aby udržel napětí; to je vidět na obrázku 2. The výkonový MOSFET má výhody většinového nosného zařízení, takže může dosáhnout velmi vysoké pracovní frekvence, ale nelze jej použít s vysokým napětím; protože se jedná o fyzický limit, neočekává se žádné zlepšení v konstrukci křemíku MOSFET týkající se jeho maximálního jmenovitého napětí. Jeho vynikající výkon v aplikacích s nízkým napětím z něj však činí zařízení volby (ve skutečnosti jedinou volbou, v současné době) pro aplikace s napětím pod 200 V. Umístěním několika zařízení paralelně je možné zvýšit proudovou zatížitelnost spínače. MOSFET je zvláště vhodný pro tuto konfiguraci, protože jeho pozitivní tepelný koeficient odporu má tendenci vést k rovnováze proudu mezi jednotlivými zařízeními.

The IGBT je nedávná součást, takže se její výkon pravidelně vyvíjí, jak se technologie vyvíjí. Již zcela nahradil bipolární tranzistor v energetických aplikacích; A napájecí modul je k dispozici, ve kterém je několik IGBT zařízení připojeno paralelně, což je atraktivní pro úrovně výkonu až několik megawattů, což posouvá hranici, na které tyristory a GTO stát se jedinou možností. V podstatě je IGBT bipolární tranzistor poháněný výkonovým MOSFET; má výhody bytí menšinovým nosným zařízením (dobrý výkon v zapnutém stavu, dokonce i pro vysokonapěťová zařízení) s vysokou vstupní impedancí MOSFETu (lze jej zapnout nebo vypnout s velmi malým množstvím energie) .

Hlavním omezením IGBT pro aplikace s nízkým napětím je vysoký pokles napětí, který vykazuje v zapnutém stavu (2 až 4 V). Ve srovnání s MOSFET je pracovní frekvence IGBT relativně nízká (obvykle ne vyšší než 50 kHz), hlavně kvůli problému při vypnutí známém jako proud-ocas: Pomalý pokles vodivého proudu během vypínání je výsledkem pomalé rekombinace velkého počtu nosičů, které během vedení zaplavují silnou „driftovou“ oblast IGBT. Čistým výsledkem je, že ztráta přepínání při vypnutí IGBT je podstatně vyšší než ztráta při zapnutí. Obecně se v datových listech uvádí vypínací energie jako měřený parametr; toto číslo musí být vynásobeno spínací frekvencí zamýšlené aplikace, aby bylo možné odhadnout ztrátu při vypnutí.

Při velmi vysokých úrovních výkonu, a tyristor - zařízení na bázi (např SCR, GTO, a MCT atd.) je stále jedinou volbou. Toto zařízení lze zapnout pulsem poskytovaným budicím obvodem, nelze jej však vypnout odstraněním pulzu. Tyristor se vypne, jakmile jím neprotéká žádný proud; toto se děje automaticky v střídavý proud systém v každém cyklu nebo vyžaduje obvod s prostředky k odvádění proudu kolem zařízení. MCT i GTO byly vyvinuty, aby překonaly toto omezení, a jsou široce používány v distribuce energie aplikace.

Několik aplikací výkonových polovodičů v přepínacím režimu zahrnuje lampu stmívače, spínané napájecí zdroje, indukční vařiče, automobilový průmysl zapalovací systémy a střídavé a stejnosměrné pohony elektromotorů všech velikostí.

Zesilovače

Zesilovače pracují v aktivní oblasti, kde proud i napětí zařízení jsou nenulové. V důsledku toho se výkon neustále odvádí a jeho konstrukci dominuje potřeba odvádět přebytečné teplo z polovodičového zařízení. Zařízení s výkonovým zesilovačem může často rozpoznat chladič slouží k připojení zařízení. Existuje několik typů výkonových polovodičových zesilovačů, jako je bipolární spojovací tranzistor, vertikální tranzistor s efektem pole MOS a další. Úrovně výkonu pro jednotlivá zesilovací zařízení se pohybují až do stovek wattů a frekvenční limity se pohybují až k nižším mikrovlnná trouba kapel. Kompletní audio výkonový zesilovač se dvěma kanály a jmenovitým výkonem řádově desítek wattů lze vložit do malého balíčku integrovaných obvodů, který k fungování potřebuje pouze několik externích pasivních komponent. Další důležitá aplikace pro zesilovače v aktivním režimu je v lineárně regulovaných napájecích zdrojích, když se zesilovač používá jako regulátor napětí udržovat zátěžové napětí na požadovaném nastavení. I když takový napájecí zdroj může být energeticky méně účinný než a spínaný napájecí zdroj Díky jejich jednoduchosti jsou populární, zejména v proudových rozsazích až do jednoho zesilovače.

Parametry

Napájecí zařízení je obvykle připojeno k chladič k odstranění tepla způsobeného provozními ztrátami.
Výkonový polovodičový nástroj tří koncového zařízení (IGBT, MOSFET nebo BJT). Dva kontakty jsou na horní straně matrice, zbývající je na zadní straně.
  1. Průrazné napětí: Často dochází k kompromisu mezi jmenovitým průrazným napětím a odporem, protože zvýšení průrazného napětí začleněním silnější a nižší dotované driftové oblasti vede k vyššímu odporu.
  2. Odpor: Vyšší jmenovitý proud snižuje odpor na základě většího počtu paralelních článků. To zvyšuje celkovou kapacitu a zpomaluje rychlost.
  3. Doby vzestupu a pádu: Doba potřebná k přepnutí mezi zapnutým a vypnutým stavem.
  4. Bezpečné pracovní prostředí: Toto je úvaha o tepelném rozptylu a "západce".
  5. Teplotní odolnost: Toto je často ignorovaný, ale z hlediska praktického designu nesmírně důležitý parametr; polovodič při zvýšené teplotě nefunguje dobře, a přesto se kvůli velkému vedení proudu výkonové polovodičové zařízení vždy zahřívá. Proto je třeba takové zařízení chladit nepřetržitým odváděním tohoto tepla; technologie balení a chladiče poskytuje prostředky pro odvádění tepla z polovodičového zařízení jeho vedením do vnějšího prostředí. Obecně platí, že velké proudové zařízení má velkou plochu matrice a obalu a nižší tepelný odpor.

Výzkum a vývoj

Obal

Úlohou obalů je:

  • připojte matrici k vnějšímu obvodu.
  • poskytnout způsob, jak odstranit teplo generované zařízením.
  • Chraňte matrici před vnějším prostředím (vlhkostí, prachem atd.).

Mnoho problémů se spolehlivostí energetického zařízení souvisí buď s nadměrnou teplotou, nebo s únavou v důsledku tepelného cyklování. Výzkum se v současné době provádí na následující témata:

Výzkum také pokračuje v elektrických otázkách, jako je snižování parazitní indukčnosti obalů; tato indukčnost omezuje pracovní frekvenci, protože generuje ztráty během komutace.

Nízkonapěťový MOSFET je také omezen parazitním odporem svého balíčku, protože jeho vnitřní odpor v stavu je tak nízký jako jeden nebo dva miliohmy.

Mezi nejběžnější typy výkonových polovodičových pouzder patří TO-220, TO-247, TO-262, TO-3, D2Pak atd.

Vylepšení struktur

Návrh IGBT je stále ve vývoji a lze očekávat, že poskytne zvýšení provozního napětí. Na konci této řady s vysokým výkonem je tyristor řízený MOS slibným zařízením. Dosažení významného zlepšení oproti konvenční struktuře MOSFET využitím principu super-křižovatkové rovnováhy náboje: v zásadě umožňuje silně dotovanou oblast silného driftu výkonového MOSFET, čímž se sníží elektrický odpor proti toku elektronů, aniž by došlo k narušení průrazného napětí. Toto je postaveno vedle sebe s oblastí, která je podobně dotována opačnou polaritou nosiče (díry); tyto dvě podobné, ale opačně dotované oblasti účinně ruší svůj mobilní náboj a vytvářejí „vyčerpanou oblast“, která podporuje vysoké napětí během vypnutého stavu. Na druhou stranu během zapnutého stavu umožňuje vyšší dopování driftové oblasti snadný tok nosičů, čímž se snižuje odpor. Komerční zařízení založená na tomto principu super spojení byla vyvinuta společnostmi jako Infineon (Produkty CoolMOS) a Mezinárodní usměrňovač (IR).

Polovodiče se širokým pásmem

Hlavní průlom v oblasti výkonových polovodičových zařízení se očekává od nahrazení křemíku polovodičem se širokým pásmem. Momentálně, karbid křemíku (SiC) je považován za nejslibnější. SiC Schottkyho dioda s průrazným napětím 1200 V je komerčně dostupná, stejně jako 1200 V JFET. Jelikož jsou obě zařízení většinové nosné, mohou pracovat vysokou rychlostí. Pro vyšší napětí (do 20 kV) se vyvíjí bipolární zařízení. Mezi jeho výhody může karbid křemíku fungovat při vyšší teplotě (až 400 ° C) a má nižší teplotní odolnost než křemík, což umožňuje lepší chlazení.

Viz také

Poznámky a odkazy

Poznámky

  1. ^ Bernard Finn, Vystavující elektronika, CRC Press, 2000 ISBN  9058230562 stránky 14-15
  2. ^ Peter Robin Morris, Historie světového polovodičového průmyslu, IET 1990 ISBN  0863412270 strana 18
  3. ^ Peter Robin Morris, Historie světového polovodičového průmyslu, IET 1990 ISBN  0863412270 stránky 39-41
  4. ^ H. van Ligten, D. Navon, „Základní vypnutí přepínačů GTO“, IRE Wescon Convention Record, část 3 o elektronových zařízeních, str. 49 - 52, srpen 1960.
  5. ^ „Přehodnotit hustotu energie s GaN“. Elektronický design. 21. dubna 2017. Citováno 23. července 2019.
  6. ^ Oxner, E. S. (1988). Technologie a aplikace plodu. CRC Press. p. 18. ISBN  9780824780500.
  7. ^ „Pokroky v diskrétních polovodičích pochodují dál“. Technologie výkonové elektroniky. Informa: 52–6. Září 2005. Archivováno (PDF) z původního dne 22. března 2006. Citováno 31. července 2019.
  8. ^ Duncan, Ben (1996). Vysoce výkonné zvukové výkonové zesilovače. Elsevier. str.177-8, 406. ISBN  9780080508047.
  9. ^ Jacques Arnould, Pierre Merle Dispositifs de l'électronique de puissanceÉditions Hermès, ISBN  2-86601-306-9 (francouzsky)
  10. ^ „Základy napájení MOSFET“ (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. Citováno 29. července 2019.
  11. ^ Whiteley, Carol; McLaughlin, John Robert (2002). Technologie, podnikatelé a Silicon Valley. Ústav pro dějiny technologie. ISBN  9780964921719. Tyto aktivní elektronické součástky nebo výkonové polovodičové produkty od společnosti Siliconix se používají k přepínání a převádění energie v široké škále systémů, od přenosných informačních zařízení po komunikační infrastrukturu, která umožňuje internet. Energetické MOSFETy společnosti - malé polovodičové spínače nebo polovodičové tranzistory s efektem pole z oxidu kovu - a výkonové integrované obvody jsou široce používány v mobilních telefonech a notebookech pro efektivní správu energie baterie
  12. ^ „Trh s výkonovými tranzistory překročí v roce 2011 13,0 miliard dolarů“. IC Insights. 21. června 2011. Citováno 15. října 2019.
  13. ^ A b C Hart, D. (2010). Výkonová elektronika. McGraw-Hill Education. str. Kapitola 1. ISBN  978-0-07-128930-6.
  14. ^ A b C d Mohan, N. (2003). Aplikace a design měničů výkonové elektroniky. Michigan: John Wiley and Sons. str. Kapitola 1. ISBN  978-0-471-22693-2.
  15. ^ A b C Bose, B (duben 1992). "Hodnocení moderních výkonových polovodičových zařízení a budoucí trendy měničů". Transakce IEEE na průmyslové aplikace. 28 (2).
  16. ^ "polovodičový GTO". GTO. ABB. Citováno 21. března 2012.
  17. ^ Robert Boylestad a Louis Nashelsky (2006). Elektronická zařízení. a teorie obvodů. 9. vydání Prentice Hall. Upper Saddle River, New Jersey. Columbus

Reference

externí odkazy