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Entscheiden Sie sich für Leistung und Effizienz für FET

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Technologie unterstützt die immer wichtiger werdende Rolle des Energietechnikers

Während Nexperia für die zweite Ausgabe seines beliebten FET-Anwendungshandbuchs eine beeindruckende 5-Sterne-Bewertung für Ingenieure erhält, betrachtet Chris Boyce, Direktor der Produktgruppe des Unternehmens, die wachsende Bedeutung dieser Halbleiter und Energieingenieure, die wissen, wie man sie einsetzt.

Die moderne Gesellschaft steht vor einer beispiellosen Energieherausforderung. Einerseits müssen wir den Anforderungen einer wachsenden Bevölkerung und der unaufhaltsam steigenden Zahl von Anwendungen gerecht werden, die Strom benötigen. Auf der anderen Seite besteht die Notwendigkeit, einen Klimanotstand zu vermeiden, indem die Treibhausgasemissionen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduziert werden. Energiedesigningenieure spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen, indem sie Wege finden, um die Produktleistung und -funktionalität zu verbessern und gleichzeitig die Energieressourcen zu begrenzen. Und eine der Möglichkeiten, wie sie dies erreichen können, ist die Optimierung der Effizienz durch die wohlüberlegte Auswahl und Implementierung der richtigen FET-Technologie.

Energiemanagement rückt auf die Design-Agenda

Heute gibt es kaum noch Anwendungen, bei denen Energieeffizienz nicht nahe oder ganz oben auf der Design-Agenda steht. Im Fall von IoT-Geräten kann beispielsweise eine sorgfältige Verwaltung der Energieressourcen die Integration einiger Elemente der Datenverarbeitung in entfernte Knoten ermöglichen. Bei Mobil- und Verbraucherprodukten, bei denen die Benutzererfahrung alles ist, bedeutet Effizienz längere Zeit zwischen Ladevorgängen oder Batteriewechseln. Ein ähnliches Problem betrifft Designer von Elektrofahrzeugen, die nach Lösungen suchen, die die Reichweitenangst, eines der Haupthindernisse beim Kauf, beseitigen. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass die Verbreitung von Elektronik für Sicherheit, Komfort und Infotainment und die Umstellung auf autonome und vernetzte Fahrzeuge mehr Elektronik als je zuvor erfordern.

Für Rechenzentren machen die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile selbst der geringsten Reduzierung des Stromverbrauchs von Millionen von Computern die Effizienz zu einem Hauptziel beim Serverdesign. Und da die Kilowattleistung von Motorantrieben alltäglich wird, ist die effiziente Nutzung von Energie zum Eckpfeiler einer effizienten und präzisen Bewegungssteuerung in der Fabrikautomation geworden. Auch bei den neuesten Entwicklungen in der Kommunikation spielt die Minimierung des Energieverbrauchs eine wichtige Rolle. Insbesondere der Einsatz von 5G wird eine große Nachfrage nach Infrastruktur auf der Grundlage von hochdichtem, ultraeffizientem und ultrazuverlässigem Kommunikationsequipment erzeugen.

Da effizientes Energiemanagement ganz oben auf der Designagenda steht, ist die Bedeutung des Energieingenieurs sehr hoch. Darüber hinaus sehen sich andere Ingenieure, die bisher keine Leistungsberatung erhalten haben, gezwungen, ihr Wissen über die Leistungsauslegung zu erweitern. Dies wiederum erfordert ein gründliches Verständnis der Komponenten, die Strom schalten, umwandeln und verwalten. Daher ist das Wissen, wie man FET-Technologien bewertet, vergleicht, auswählt und verwendet, eine wesentliche Fähigkeit.

gestalterische Herausforderungen

Die erste Hürde besteht darin, die Suche auf die Geräte einzugrenzen, die die Anforderungen der App am ehesten erfüllen, und sie auf vergleichbare Weise zu vergleichen. Bei rund 20.000 verschiedenen FETs auf dem Markt ist das gar nicht so einfach, wie es sich anhört. Eine zweite Hürde besteht darin, dass die Bedingungen, für die Spezifikationen in Datenblättern angegeben werden, zwischen den Anbietern erheblich variieren. Daher ist es für den Produktauswahlingenieur von entscheidender Bedeutung, Datenblätter verschiedener Hersteller im Kontext der Anforderungen einer bestimmten Anwendung interpretieren zu können.

Sobald die Liste der Komponenten identifiziert wurde, müssen die Auswirkungen von Faktoren wie Schalt-, Leitungs- und Lawinenverlusten sorgfältig bewertet werden. Darüber hinaus erfordern EMV-Entwurfsüberlegungen Techniken zur Reduzierung des Schaltrauschens, insbesondere in Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Design für Sicherheit und Zuverlässigkeit ist wichtig, und in vielen Fällen, insbesondere bei begrenztem Platz, ist ein effektives Wärmemanagement eine Herausforderung, die von Anfang an berücksichtigt werden muss. Neben dem Verständnis des thermischen Verhaltens und der Auswirkungen auf die Verpackung ist es notwendig, den Einfluss der Leiterplatte auf die Wärmeableitung zu bewerten. Simulationen mit thermischen RC-Modellen bieten beispielsweise manchmal eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit, die thermische Leistung von Leistungs-MOSFETs anhand einer elektrischen Analogie abzuleiten.

Bei Anwendungen, die Kleinsignal-MOSFETs erfordern, ist der Leckstrom ein wichtiger Aspekt. Dies gilt insbesondere für mobile Elektronik wie Smartphones, Tablets, Wearables oder tragbare medizinische Geräte, bei denen Stromverluste außerhalb des Zustands die Standby- oder Ruhezeit beeinflussen.

Schließlich gibt es noch andere Faktoren, die Ingenieure, die mit Silizium-MOSFETs vertraut sind, jetzt aber mit Geräten arbeiten, die aus neuen Materialien wie Galliumnitrid (GaN) gebaut wurden, berücksichtigen müssen. Bei GaN-basierten schnelleren Schaltdesigns kann beispielsweise die Minimierung der parasitären Induktivität durch optimiertes PCB-Design entscheidend sein. Darüber hinaus muss bei der Verwendung von Oszilloskopen zur Messung superschneller Schaltwellenformen besondere Vorsicht walten.

FET-Entwicklung

Natürlich ist das Konzept der FETs nicht neu. Tatsächlich hat der polnisch-amerikanische Physiker Julius E. Lilienfeld vor fast 100 Jahren den ersten Feldeffekttransistor zum Patent angemeldet. Sogar den Superjunction-FET gibt es seit 1984. Natürlich haben sich die Dinge weit entwickelt (insbesondere in Bezug auf Schaltgeschwindigkeiten), aber als ausgereifte Technologie haben wir bereits viele „einfache Gewinne“ in Bezug auf die Effizienz und das Downsizing-Potenzial im Allgemeinen erzielt Zweck Geräte. Aus diesem Grund wird auf anwendungsspezifische FETs oder ASFETs umgestellt.

ASFETs tauschen oft einen Parameter gegen einen anderen aus, sodass Designer das Gerät auswählen können, das die spezifischen Anforderungen des Zielsystems am besten erfüllt. Entwickler von Schaltnetzteilen werden beispielsweise nach einem Gleichgewicht zwischen dynamischen Schaltparametern für maximale Effizienz und niedrigem Einschaltwiderstand für hohe Lastbedingungen suchen. Im Gegensatz dazu befassen sich Motorsteuerungsingenieure, bei denen die Schaltfrequenzen typischerweise um eine Größenordnung niedriger sind, mehr mit Stromspitzen und dem thermischen Verhalten des blockierten Rotors sowie dem Management von EMI-Effekten. Und diejenigen, die an Hot-Swap-, Soft-Start- und Live-Insertion-Anwendungen arbeiten, werden ihr Hauptaugenmerk auf den sicheren Betriebsbereich (SOA) von FETs legen. Am anderen Ende der Leistungsskala befinden sich Niedrigstrom-MOSFETs, die in Anwendungen wie DC-DC-Wandlung, Lastschaltung und Pegelverschiebung zu finden sind. Die Kombination von Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit fortschrittlichen Verpackungstechniken hat es Herstellern ermöglicht, Geräte zu entwickeln, die speziell darauf ausgelegt sind, die Leistung zu optimieren und gleichzeitig die Anforderungen an Miniaturisierung und Leistungsdichte zu erfüllen. Solch ein vielfältiges Anwendungsspektrum ist ein Beweis für den Erfolg und die Vielseitigkeit der FET-Technologie, aber es ist klar, dass die Tage generischer Geräte und eines „Einheitsgröße“-Ansatzes längst vorbei sind.

Die Weiterentwicklung von FETs bedeutet auch die Verfügbarkeit neuer Optionen aus Breitbandmaterialien (WBG) wie Galliumnitrid. Diese Technologien, die im Bereich der HF-Leistung bereits sehr erfolgreich sind, werden in anderen anspruchsvollen Leistungsanwendungen in den Bereichen Computer, Industrie und Telekommunikation kommerziell rentabel. Hier macht ihre Kombination aus ultraniedrigem Hochspannungs-Einschaltwiderstand, hervorragenden Schaltwerten, thermischer Stabilität und Hochfrequenzbetrieb sie ideal für AC-DC-Wandlung, DC-DC-Wandlung, Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und andere High-Power-, High-Density- und Ultra-Speed-Switching-Anwendungen. Darüber hinaus wird GaN zum Goldstandard für die Bereitstellung der Leistung und Effizienz, die von der Automobilindustrie für On-Board-Laden, DC-DC-Wandlung und Traktionsumrichterdesigns in Elektrofahrzeugen gefordert werden.

Ingenieurunterstützung

Welche Unterstützung gibt es also für einen Ingenieur, der freiwillig oder unfreiwillig mit der Bereitstellung von Leistungs-MOSFETs, Kleinsignal-MOSFETs oder GaN-FETs beauftragt wird? Die gute Nachricht ist, dass Ingenieure mit Online-Designtools, FAEs, Schnelllernvideos, umfassenden Auswahlleitfäden und ausführlichen Anwendungshinweisen Zugriff auf mehr Ressourcen als je zuvor haben, die ihnen bei der Auswahl und dem Design mit FETs helfen. Zu diesen Ressourcen wurde die neueste Ausgabe des GaN FET- und MOSFET-Anwendungshandbuchs von Nexperia hinzugefügt. Dieser Designleitfaden vereint Referenzmaterialien zur Verwendung von GaN-MOSFETs und -FETs in realen Systemen, basierend auf der Erfahrung, die die Ingenieurteams von Nexperia über viele Jahre gesammelt haben.

Das Anwendungshandbuch für Nexperia GaN-MOSFETs und -FETs kann heruntergeladen oder in Papierform bestellt werden unter: https://efficiencywins.nexperia.com/efficient-products/mosfet-and-gan-fet-application-handbook.html