La technologie soutient le rôle de plus en plus important de l'ingénieur électricien
Alors que Nexperia reçoit une note impressionnante de 5 * pour les ingénieurs pour la deuxième édition de son manuel d'applications FET populaire, Chris Boyce, directeur du groupe de produits de l'entreprise, considère l'importance croissante de ces semi-conducteurs et des ingénieurs de puissance qui savent comment les utiliser.
La société moderne fait face à un défi énergétique sans précédent. D'une part, nous devons répondre aux exigences d'une population croissante et à l'augmentation inexorable du nombre d'applications nécessitant de l'électricité. D'autre part, il y a l'impératif d'éviter une urgence climatique en réduisant les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux énergies fossiles. Les ingénieurs en conception énergétique ont un rôle essentiel à jouer pour relever ces défis, en trouvant des moyens d'augmenter les performances et les fonctionnalités des produits tout en limitant les ressources énergétiques. Et l'un des moyens d'y parvenir consiste à optimiser l'efficacité grâce à la sélection et à la mise en œuvre judicieuses de la bonne technologie FET.
La gestion de l'énergie se hisse à l'ordre du jour de la conception
Aujourd'hui, il n'y a pratiquement aucune application où l'efficacité énergétique n'est pas proche ou au sommet de l'agenda de conception. Dans le cas des appareils IoT, par exemple, une gestion prudente des ressources énergétiques peut permettre l'incorporation de certains éléments de traitement de données dans des nœuds distants. Dans les produits mobiles et grand public, où l'expérience utilisateur est primordiale, l'efficacité signifie un temps plus long entre les charges ou les remplacements de batterie. Un problème similaire touche les concepteurs de véhicules électriques, qui recherchent des solutions qui suppriment l'anxiété liée à l'autonomie, l'un des principaux obstacles à l'achat. Sans parler du fait que la prolifération de l'électronique pour la sécurité, le confort et l'infodivertissement et le passage aux véhicules autonomes et connectés nécessitent plus d'électronique que jamais.
Pour les centres de données, les avantages économiques et environnementaux de la moindre réduction de la consommation d'énergie sur des millions d'ordinateurs font de l'efficacité un objectif clé dans la conception des serveurs. Et avec la production de kilowatts des entraînements à moteur devenant monnaie courante, l'utilisation efficace de l'énergie est devenue la pierre angulaire d'un contrôle de mouvement d'automatisation d'usine efficace et précis. La minimisation de l'utilisation de l'énergie joue également un rôle important dans les derniers développements des communications. Le déploiement de la 5G, notamment, va générer une forte demande d'infrastructures basées sur des équipements de communication à haute densité, ultra-efficaces et ultra-fiables.
Avec une gestion efficace de l'énergie au sommet de l'agenda de conception, l'importance de l'ingénieur en électricité est très élevée. De plus, d'autres ingénieurs qui n'ont pas reçu de conseils en matière de puissance jusqu'à présent se voient obligés d'approfondir leurs connaissances en matière de conception de puissance. Ceci, à son tour, nécessite une compréhension approfondie des composants qui commutent, convertissent et gèrent l'alimentation. Cela fait de savoir comment évaluer, comparer, sélectionner et utiliser les technologies FET une compétence essentielle.
défis de conception
Le premier obstacle consiste à restreindre la recherche aux appareils les plus susceptibles de répondre aux exigences de l'application et à les comparer à l'identique. Avec quelque 20.000 XNUMX FET différents sur le marché, ce n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Un deuxième obstacle est que les conditions pour lesquelles les spécifications sont données dans les fiches techniques varient considérablement d'un fournisseur à l'autre. Par conséquent, être capable d'interpréter les fiches techniques de différents fabricants dans le contexte des exigences d'une application donnée est une compétence essentielle pour l'ingénieur de sélection de produits.
Une fois la liste des composants identifiée, il sera nécessaire d'évaluer soigneusement les effets de facteurs tels que la commutation, la conduction et les pertes par avalanche. De plus, les considérations de conception CEM nécessitent des techniques pour réduire le bruit de commutation, en particulier dans les applications à grande vitesse.
Concevoir pour la sécurité et la fiabilité est important, et dans de nombreux cas, en particulier lorsque l'espace est limité, une gestion efficace de la chaleur est un défi qui doit être pris en compte dès le départ. En plus de comprendre le comportement thermique et les implications de l'emballage, il est nécessaire d'évaluer l'impact de la carte de circuit imprimé sur la dissipation thermique. Les simulations utilisant des modèles thermiques RC, par exemple, offrent parfois un moyen rapide et peu coûteux de déduire les performances thermiques des MOSFET de puissance à l'aide d'une analogie électrique.
Lorsqu'il s'agit d'applications nécessitant des MOSFET à petit signal, le courant de fuite sera une considération importante. Cela est particulièrement vrai pour les appareils électroniques mobiles, tels que les smartphones, les tablettes, les appareils portables ou les équipements médicaux portables, où les fuites de courant hors état influenceront le temps de veille ou de sommeil.
Enfin, il existe d'autres facteurs que les ingénieurs qui connaissent bien les MOSFET au silicium mais qui travaillent maintenant avec des dispositifs construits avec de nouveaux matériaux tels que le nitrure de gallium (GaN) doivent prendre en compte. Dans les conceptions de commutation plus rapides à base de GaN, par exemple, la minimisation de l'inductance parasite grâce à une conception de PCB optimisée peut être essentielle. De plus, des précautions particulières doivent être prises lors de l'utilisation d'oscilloscopes pour mesurer des formes d'onde à commutation ultra-rapide.
Évolution FET
Bien sûr, le concept des FET n'est pas nouveau. En fait, le physicien américano-polonais Julius E. Lilienfeld a déposé un brevet pour le premier transistor à effet de champ il y a près de 100 ans. Même le FET à superjonction existe depuis 1984. De toute évidence, les choses ont parcouru un long chemin (en particulier en ce qui concerne les vitesses de commutation), mais en tant que technologie mature, nous avons déjà bénéficié de nombreux "gains faciles" en ce qui concerne l'efficacité et le potentiel de réduction des effectifs généraux. dispositifs à but. C'est pourquoi il passe aux FET spécifiques à l'application ou ASFET.
Les ASFET échangent souvent un paramètre avec un autre afin que les concepteurs puissent choisir le dispositif qui répond le mieux aux exigences spécifiques du système cible. Par exemple, les concepteurs d'alimentations à découpage recherchent un équilibre entre les paramètres de commutation dynamiques pour une efficacité maximale et une faible résistance à l'état passant pour les conditions de charge élevée. En revanche, les ingénieurs en contrôle moteur, où les fréquences de commutation sont généralement inférieures d'un ordre de grandeur, sont davantage préoccupés par les pics de courant et les performances thermiques du rotor bloqué, ainsi que par la gestion des effets EMI. Et ceux qui travaillent sur des applications de remplacement à chaud, de démarrage progressif et d'insertion sous tension accorderont une attention particulière à la zone de fonctionnement sûre (SOA) des FET. À l'autre extrémité de l'échelle de puissance se trouvent les MOSFET à faible courant que l'on trouve dans des applications telles que la conversion CC-CC, la commutation de charge et le décalage de niveau. La combinaison d'un fonctionnement à grande vitesse avec des techniques de conditionnement avancées a permis aux fabricants de développer des dispositifs spécialement conçus pour optimiser les performances tout en répondant aux exigences de miniaturisation et de densité de puissance. Une gamme d'applications aussi diversifiée témoigne du succès et de la polyvalence de la technologie FET, mais il est clair que l'époque des dispositifs génériques et d'une approche « taille unique » est révolue depuis longtemps.
L'évolution des FET signifie également la disponibilité de nouvelles options réalisées avec des matériaux à large bande (WBG) tels que le nitrure de gallium. Déjà très réussies dans le domaine de la puissance RF, ces technologies deviennent commercialement viables dans d'autres applications de puissance exigeantes dans les secteurs de l'informatique, de l'industrie et des télécommunications. Ici, leur combinaison de résistance à l'état passant à haute tension ultra-basse, d'excellents chiffres de mérite de commutation, de stabilité thermique et de fonctionnement à haute fréquence les rend idéaux pour la conversion AC-DC, la conversion DC-DC, la correction du facteur de puissance (PFC) et d'autres applications de commutation haute puissance, haute densité et ultra-rapides. De plus, le GaN devient la référence en matière de performances et d'efficacité exigées par l'industrie automobile pour la charge embarquée, la conversion CC-CC et les conceptions d'onduleurs de traction dans les véhicules électriques.
soutien d'ingénieur
Alors, quel soutien existe-t-il pour un ingénieur qui, volontairement ou non, se retrouve chargé de déployer des MOSFET de puissance, des MOSFET à petit signal ou des GaN FET ? La bonne nouvelle est qu'avec des outils de conception en ligne, des FAE, des vidéos d'apprentissage rapide, des guides de sélection complets et des notes d'application détaillées, les ingénieurs ont accès à plus de ressources que jamais pour les aider à sélectionner et à concevoir avec des FET. À ces ressources s'ajoute la dernière édition du manuel d'application GaN FET et MOSFET de Nexperia. Ce guide de conception rassemble des documents de référence liés à l'utilisation des MOSFET et FET GaN dans les systèmes du monde réel, basés sur l'expérience que les équipes d'ingénierie de Nexperia ont accumulée au fil des années.
Le manuel d'application Nexperia GaN MOSFETs and FETs peut être téléchargé ou commandé en format papier à l'adresse : https://efficiencywins.nexperia.com/efficient-products/mosfet-and-gan-fet-application-handbook.html
