Co to jest półprzewodnik mocy?

Półprzewodnik mocy jest urządzeniem podobnym do przełącznika, stosowanym głównie do sterowania i przetwarzania energii elektrycznej w obwodach elektronicznych. Zasadniczo urządzenia te wykorzystują właściwości elektroniczne występujące w elementach półprzewodnikowych, takich jak arsen galu, german i krzem. Gadżety te, zwane także urządzeniami zasilającymi, mogą zwykle rozproszyć więcej niż jeden wat mocy podczas standardowego działania. Są one zwykle określane jako układy scalone mocy, gdy są stosowane w układach scalonych, które mogą zawierać miliony urządzeń połączonych ze sobą na jednym półprzewodniku.

W przeważającej części podstawowa forma półprzewodnikowego urządzenia mocy została opracowana w latach 50. XX wieku. Inżynierowi Robertowi N. Hallowi przypisuje się wynalezienie urządzenia. Te wczesne gadżety wykonane z germanu zwykle miały prąd o natężeniu około 35 amperów i pojemność około 200 woltów. Porównaj to z nowoczesnymi półprzewodnikami mocy, które często obsługują tysiące amperów, a także tysiące woltów.

Istnieje kilka rodzajów półprzewodnikowych urządzeń mocy, w tym dioda mocy, półprzewodnikowy tranzystor polowy z tlenkiem metalu (MOSFET), tyrystor i izolowany tranzystor bipolarny (IGBT). Diody mocy są zwykle wykonane z dwubiegunowych elementów elektronicznych. Zazwyczaj przewodzą prądy elektryczne w kierunku do przodu i zapobiegają przepływowi prądu w kierunku do tyłu. W przeciwieństwie do swoich półprzewodnikowych odpowiedników o niskiej mocy, są one w stanie przenosić znaczną objętość prądu.

MOSFET-y mocy są jednym z najczęściej używanych rodzajów półprzewodnikowych aplikacji niskonapięciowych. Zazwyczaj mają mniej niż 200 woltów i są używane do sterowników silników, zasilaczy i przetwornic prądu stałego na prąd stały. Podobnie jak dioda mocy, MOSFET mocy jest zwykle przystosowany do przenoszenia dużych ilości energii elektrycznej. Często są one bardziej wydajne przy niższych napięciach i mają wysokie prędkości komutacji niż inne rodzaje półprzewodników mocy.

Tyrystor jest rodzajem półprzewodnika mocy wykorzystywanego we wszystkim, od ściemniaczy przełączników światła i systemów kontroli ciśnienia po kontrolę prędkości silnika i regulatory poziomu cieczy. Składają się z czterech warstw i składają się z naprzemiennych materiałów typu P i typu N i zwykle mają trzy elektrody. Często są one zaprojektowane do kontrolowania znacznej mocy za pomocą małego prądu wyzwalającego lub napięcia.

Półprzewodnik mocy izolowany bramkowy tranzystor bipolarny (IGBT) to gadżet zaprojektowany do szybkiego wyłączania i włączania. IGBT, uważane za wysoce wydajny rodzaj półprzewodników mocy, są często stosowane w systemach klimatyzacyjnych i samochodach elektrycznych. Systemy stereo zawierające wzmacniacze przełączające czasami wykorzystują również tranzystory IGBT, aby pomóc w syntezie złożonych form fal.