CC BY
26
I
SCIENCE TIME
I
ОБЗОР НАИБОЛЕЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Швед Сергей Михайлович, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск, Республика Беларусь
E-mail: nixel 41417@gmail. com
Аннотация. Данная статья посвящена вопросам развития рынка изделий силовой электроники в мире в 2018 году. Рассмотрены основные показатели роста рынка, представлены типовые изделия производящиеся на данный момент.
Ключевые слова: силовая электроника, производство, промышленно сть.
В последние годы электронные системы стабилизации и распределения энергии, особенно предназначенные для портативных устройств, развивались так стремительно, что некоторые специалисты классифицировали ситуацию как "вторую электронную революцию". Основным фактором, способствующим этому, является существенный прогресс в области разработки и производства мощных дискретных полупроводниковых приборов.
К настоящему времени разработано множество силовых ключей. Самые простые из них в применении и потому самые популярные - МОП полевые транзисторы (МОП ПТ - МОЗБЕТ), впервые появившиеся в начале 70-х годов, и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - ЮВТ), созданные в 80-е годы прошлого столетия. В некоторых областях применения эти транзисторы взаимозаменяемы, в других - выбор конкретного прибора однозначен [1].
Самые крупные потребители мощных полупроводниковых приборов
- на напряжение менее 200 В - компьютеры, телекоммуникационные и автомобильные системы;
- приборов на напряжение выше 200 В - приводы двигателей, системы распределения энергии, а также робототехнические устройства [2].
1 SCIENCE TIME 1
Современный рынок этих приборов, несмотря на длительный спад мировой экономики, достигает нескольких миллиардов долларов.
В 2018 году объем полупроводникового рынка достиг рекорда, впервые превысив 1 трлн. Поставки всех видов чипов, в том числе интегральных микросхем (1С), оптоэлектронных схем, сенсоров и дискретных решений (O-S-D), составили 1,07 трлн. экземпляров, увеличившись на 10% относительно 2017 года. Об этом говорится в исследовании 1С Insights, выдержки из которого были обнародованы 24 января 2019 года.
С 1978 года, когда было отгружено 32,6 млрд чипов в глобальном масштабе, полупроводниковая отрасль росла примерно на 9,1% ежегодно. Этот показатель аналитики назвали впечатляющим, учитывая цикличность и нестабильность полупроводниковой индустрии.
Крупнейшими сегментами полупроводниковой индустрии в 1С Insights называют оптоэлектронные схемы, сенсоры и дискретные чипы. К началу 2019 года на O-S-D приходится 70% в общем объеме полупроводниковых отгрузок, а остальные 30% - интегральные схемы. Для сравнения, в 1980 году доли этих продуктов измерялись 78% к 22%.
С точки зрения самых высоких темпов роста поставок лидируют полупроводниковые решения для смартфонов, автомобильной электроники и вычислительных систем, обеспечивающих работу искусственного интеллекта, приложений для глубинного обучения и анализа больших данных.
Объем рынка чипов в деньгах в 1С Insights оценили в $514 млрд по итогам 2018 года. 10 крупнейших чипмейкеров контролировали 60% выручки в отрасли, в то время как в 2008 году на их долю приходилось только 45% от суммарного показателя.
Вклад первой пятерки в тот же период увеличился на 14 процентных пунктов и составил 47% против 33% 10 лет назад. Также специалисты сравнили данные по более широкому перечню чипмейкеров, включающему 25 и 50 крупнейших полупроводниковых компаний. Если в 2008 году на их долю пришлось 68% и 82% всей выручки в отрасли, объем которой составил $365,2 млрд, то в 2018 году показатели увеличились до 79% и 89% соответственно. На рисунке 1 представлен график изменения количества произведенных полупроводниковых приборов [3].
Вся современная цифровая электроника построена, в основном, на полевых МОП (метал-оксид-полупроводник) транзисторах, как более экономичных, по сравнению с биполярными транзисторами. Иногда МОП-транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник). Международный термин таких транзисторов - MOSFET (metal-oxide-semiconductorfield effect transistor).
Полевой транзистор - это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит
I
SCIENCE TIME
I
от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.
Рис. 1 Динамика изменения полупроводникового рынка, данные 1С Insights
Другое название полевых транзисторов - униполярные. «УНО» - значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов - электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:
- транзисторы с управляющим ^-«-переходом;
- транзисторы с изолированным затвором.
И те и другие могут быть и-канальными и ^-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых - отрицательное относительно истока.
Наиболее часто используемые и перспективные транзисторы представлены ниже.
Характеристики МОББЕТ транзистора ЮТ520 представлены в таблице 1 [4].
Параметры МОББЕТ транзистора 1^520
Таблица 1
Наименование прибора IRF520
Тип транзистора MOSFET
Полярность N
Максимальная рассеиваемая мощность (Рф 70 W
Предельно допустимое напряжение сток-исток (Шя) 100 V
Предельно допустимое напряжение затвор-исток (Ц^) 20 V
Пороговое напряжение включения Ц^/й) AV
Максимально допустимый постоянный ток стока {1(1) 10 А
Максимальная температура канала (Т/) 175 °С
Общий заряд затвора 16 пС
Выходная емкость (СйТ) 450 pF
Сопротивление сток-исток открытого транзистора (КЛя) 0.27 Ohm
1 SCIENCE TIME 1
MOSFET транзистор универсальный прибор и области его применения практически не ограничены:
- промышленная автоматика - DC/DC преобразователи, понижающие/ повышающие конверторы, блоки управления электродвигателями, блоки управления подачей топлива для автозаправочных станций, системы безопасности железнодорожного транспорта;
- бытовая электроника - мобильные и бытовые телефоны, ноутбуки и блоки питания к ним, МРЗ-плееры и мобильные плееры, цифровые видеокамеры, схемы защиты Li-ion батарей, схемы управления вращением кулеров, кондиционеры, модули управления лазерными приводами, блоки управления холодильниками, стиральными машинами, пылесосами;
- автомобильная электроника - генераторы и стартеры переменного тока, электронные модули рулевого управления, электронасосы топлива и воды, турбокомпрессоры, модули управления стеклоподъемниками, стеклоочистителями, зеркалами, системы ABS, ESP, EBD, автоматизированные коробки передач, модули DC/DC преобразователей, регуляторы положения сидений, системы отопления, вентиляции, кондиционирования, система активной подвески.
Литература:
1. Справочник по электронным компонентам [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/doc/transistor/igbt semi/1 _3 .htm
2. Большая энциклопедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https:// www.ngpedia.ru/id310087pl .html
3. Государство. Бизнес. IT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// www.tadviser.ru/index.php/Cтaтья:Пoлyпpoвoдники_(миpoвoй_pынoк)
4. Справочник по электронным компонентам [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/transistor/mosfet_nxp.htm
