Este artigo foi traduzido para acabar com aquele conceito de: Coloca este que serve! Este artigo irá ajudá-lo a entender os diferentes tipos de semicondutores de energia: como eles funcionam, seus parâmetros-chave e trade-offs.Existe uma sobreposição considerável nas áreas de aplicação para os principais tipos de semicondutores de alta potência. Então, como o designer determina se deve usar BJTs ou MOSFETs no estágio de poder de sua aplicação? Ou deve o desenhador usar IGBTs? E os tiristores? Eles trabalhariam no projeto? Seriam melhores?
Portanto, existem várias opções, mas qual é o melhor?
A resposta é: "Depende." Eu sei, não uma resposta muito informativa ou satisfatória. Mas é válido, no entanto, como a seleção é verdadeiramente dependente de uma ampla variedade de fatores e aspectos do seu projeto. Por exemplo, a área de aplicação (controle do motor, fonte de alimentação, amplificador de áudio, etc.) influenciará sua escolha, bem como a técnica de modulação de potência de carga (por exemplo, linear, comutação, estática, etc.) ea freqüência de operação. Você precisará definir claramente seus critérios de design e abordagem primeiro, então você pode começar a avaliar as vantagens e trade-offs dos vários semicondutores de potência disponíveis.
Channel, Junction, Qual é a função?Canais ou junções? Quantos? Que tipo? Estes e outros aspectos da geometria e construção do dispositivo interno podem ser uma maneira de ver os semicondutores de potência, pois são de fato diferentes para os diferentes tipos de dispositivos de potência de estado sólido. Mas essa abordagem poderia nos levar longe do ponto real, que é como o dispositivo é controlado para variar a corrente de carga.Tenha em mente que a variação da corrente através da carga de forma controlada é a função principal (a raison d'être, se você quiser) de qualquer dispositivo semicondutor de potência. Tem uma carga através da qual desejar conduzir corrente, e o estado de que o fluxo de corrente (ou totalmente em , totalmente fora , ou em algum predeterminado nível intermediário ) é uma função de um sinal fornecido ao terminal do dispositivo poder semicondutor controle .Existem várias considerações que irão orientar sua escolha de tecnologia de transistor de energia. Entre eles estão a magnitude da corrente que sua carga requer, a tensão desejada a ser aplicada através da carga para atingir essa corrente e a taxa máxima de mudança de corrente (dI / dt) e tensão (dV / dt) necessária.Colocados sucintamente, existem três parâmetros de desempenho chave que nos ajudam a entender qual tecnologia de transistor de potência poderia melhor se ajustar ao seu projeto de estágio de potência: tensão operacional máxima, corrente máxima de operação e freqüência máxima de comutação. O menu de semicondutores para cargas com fome de energia Você, naturalmente, definiu os principais parâmetros de potência de sua carga:Tensão e corrente máximas
- Freqüência máxima de operação
- Parâmetros reativos da sua carga (indutância de carga e capacitância de carga)
- Características de CC (e mesmo características de falha em potencial) de sua carga
- Ter suas características de carga bem definidas significa que você está pronto para explorar o menu de opções para dirigir sua carga.A entrada lista inclui não só popular transistores de alta potência como MOSFETs, BJTs e IGBTs, mas também mais exóticos tiristor tarifa como Triacs e SCRs (para o paladar restrito de AC-apenas ou pulsante DC dietas, que abordaremos em um futuro artigo).E, é claro, existem os pratos de lado necessários como reatores ultra-rápidos e Schottky (nenhum projeto de energia é completo sem eles, mas isso é um artigo futuro também). Examine este menu de dispositivos de estado sólido, de três terminais e de alta potência e verá que cada um controla a carga de uma maneira diferente. (https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Menu_of_Power_Transistors_revA.jpg) BJTO BJT varia a sua corrente de saída (definida aqui como a corrente que flui através do dispositivo do emissor para o coletor ou vice-versa) de acordo com sua corrente de atuação base multiplicada pelo seu ganho de corrente (h FE ). Devido a isso, o BJT é frequentemente descrito como um dispositivo controlado pela corrente. MOSFETEm contraste, o MOSFET é descrito como um dispositivo de tensão controlada, porque a sua corrente de saída varia em função de uma pequena tensão aplicada à sua porta. Funcionalmente o que está acontecendo é que o campo eletrostático do portão está impactando e afetando a resistência do canal fonte-dreno do dispositivo (daí o termo "transistor de efeito de campo"). IGBTO IGBT também pode ser considerado um dispositivo com tensão controlada, pois sua corrente de saída é também uma função de uma pequena tensão aplicada à sua porta. Difere funcionalmente, no entanto, porque esta tensão de sinal de controlo modula uma resistência de canal que por sua vez também varia o número de suportes de corrente (tanto electrões como furos) disponíveis para transportar corrente do terminal de emissor para o terminal de colector. Todos os três tipos de transistores de potência têm ganho e, portanto, podem ser usados como amplificadores, bem como switches. O quarto item do nosso menu, o tiristor, só pode ser usado como um interruptor de bloqueio: um dispositivo que, uma vez acionado, permanecerá ligado até que a corrente através do dispositivo é reduzida externamente para perto de zero. Isso limita os tiristores a aplicações em que a carga é alimentada a partir de uma alimentação CA ou pulsante de CC (onde a corrente aplicada cairá para zero a cada ciclo e comuta, isto é, desliga ou restaura o tiristor).Agora, vamos nos concentrar nos três tipos de transistor de potência e deixar aplicações de tiristor para ser coberto em um artigo diferente. Comparação de tecnologia e trade-offs Agora que eu já abriu seu apetite, vamos examinar esta tríade de tipos de transistor de energia em um pouco mais de profundidade. Nós focalizaremos este olhar mais próximo limitando nossa comparação a seu uso como transistores de comutação de alta potência . Isto é apropriado como a maioria das aplicações modernas de circuitos de alimentação, mesmo de áudio, usam a modulação de largura de pulso (PWM) para controlar a energia em uma carga, seja ela um transformador, indutor, enrolamento do motor, LED, lâmpada, resistor ou até mesmo alto-falante. Isso ocorre porque PWM é inerentemente mais eficiente do que o controle / regulação linear de uma carga.Assim, a partir deste foco, precisamos olhar para o desempenho de velocidade de comutação dos transistores de potência, bem como, não apenas a capacidade de tensão e corrente de manipulação. (https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Power_Transistor_Comparison.jpg) Um transistor de junção bipolar projetado para uso como um transistor de alta potência exibirá um ganho de corrente bastante modesto (com h FE no intervalo de um dígito para baixo de dois dígitos). E embora seja capaz de funcionar como um amplificador de RF, as complexidades de fornecer a corrente de accionamento de base significativa numa aplicação de comutação limitam tipicamente a utilização a 100 kHz ou menos. Dentro desta faixa de velocidade de comutação, há BJTs que podem tratar eficientemente dezenas de amps enquanto suportando tensões de várias centenas a mil volts ou mais. Em termos de comparação com as outras duas tecnologias de transístores de potência, podemos considerar o BJT como um dispositivo de alta voltagem, mas de baixa corrente.Por outro lado, MOSFETs projetados para uso como transistores de alta potência geralmente serão de alta corrente, mas dispositivos de baixa tensão . Freqüência de comutação de até 500 kHz são viáveis, e há MOSFETs que podem transportar várias centenas de ampères, mas eles geralmente são limitados a tensões muito menos do que 100V. Uma vantagem significativa dos MOSFETs é que o circuito necessário para conduzir o portão é muito simples e de baixa potência.Curiosamente, os IGBTs foram desenvolvidos especificamente como transistores de potência, com o objetivo de combinar alta e alta tensão. Nesse papel, eles suplantaram os BJTs e MOSFETs (bem como tiristores) em muitas aplicações de alta potência. Existem dispositivos bastante impressionantes nesta tecnologia que pode lidar com correntes superiores a 1000A enquanto comuta vários milhares de volts! Eles têm limitações, entretanto, a velocidade de comutação é significativa. Os fabricantes destes dispositivos trabalham continuamente para melhorar a velocidade de comutação (especificamente reduzindo o tempo de queda) e, nas décadas desde que os IGBTs foram comercializados pela primeira vez, as velocidades de comutação quase triplicaram. No entanto, as velocidades de comutação práticas para projetos de potência de alta potência IGBT são raramente mais de 50 kHz.Os parâmetros chave para comparar os transistores de potência são mostrados na tabela a seguir: (https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/Power_Transistor_Parametrics.jpg) Além de avaliar esses parâmetros-chave, você também deve considerar os comportamentos reativos e de falha de sua carga ao analisar e comparar as fichas de transistores de potência. Por exemplo, os IGBTs podem travar (como um tiristor) se forem submetidos a uma corrente de curto-circuito que exceda o seu tempo nominal de resistência a curto-circuito (t SC ) em microssegundos. E cargas indutivas podem criar grandes picos de tensão que podem exceder a tensão de ruptura de um BJT, ou sobrecarregar a capacidade de energia de avalanche de um diodo corpo MOSFET (E AS ). Três dimensões de aplicações do transistor de poder Discutimos os três principais parâmetros de desempenho que nos ajudam a entender qual tecnologia de transistores de potência pode ser a que melhor se adapta ao seu projeto de estágio de potência. Para reiterar, estes são máximo de tensão operacional, máx. Corrente operacional e frequência máxima de comutação.Esses e outros parâmetros da folha de dados fornecem ao projetista as informações técnicas necessárias para tomar decisões de planejamento ponderadas. Mas muitas vezes os designers também gostaria de saber como esses dispositivos são comumente utilizados em aplicações de mercado comercial / industrial, pois isso fornece uma visão sobre como outros designers avaliaram o desempenho e custo de trade-offs. (https://www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/The_3D_of_Power_Transistor_Applications_RevB.jpg) Este gráfico ilustra o espaço de aplicações do transistor de potência em três dimensões. Cada eixo do gráfico representa um dos três principais parâmetros de desempenho e cada tecnologia de transistor de potência é representada por uma seta de cor diferente.Por exemplo, na parte superior do gráfico, você observará uma barra representando pequenas aplicações de veículos elétricos (por exemplo, carrinhos de golfe, empilhadeiras elétricas). Os controladores de motor nestes tipicamente operam em tensões de 48V a 72V e correntes até várias centenas de amps, e eles usam normalmente MOSFETs PWM'ing o motor em frequências em torno de 20 kHz (confortavelmente acima audiência humana).Como uma advertência, os dados que conduzem este gráfico são devidamente considerados anedóticos, como é extraído da minha própria observação pessoal. Eu provei-o na esperança de compartilhar meu insight de quatro décadas na indústria trabalhando com uma ampla gama de clientes e aplicações. Conclusão Agora você deve ter uma boa idéia de suas opções e por onde começar ao escolher o tipo de transistor de energia para usar em seu próximo projeto de alta potência. Mantenha-se atento para futuros artigos sobre temas relacionados.
Fonte:https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/fet-vs-bjt-vs-igbt-whats-the-right-choice-for-your-power-stage-design/