Poznaj MOSFET w jednym artykule

Rysunek 3 Opór cieplny MOSFET-u po przyłożeniu impulsu mocy

Tak naprawdę wybór MOSFET-u możemy podzielić na cztery etapy.

Pierwszy krok: wybierz kanał N lub kanał P

Pierwszym krokiem w wyborze odpowiedniego urządzenia do swojego projektu jest podjęcie decyzji, czy zastosować MOSFET z kanałem N, czy z kanałem P. W typowym zastosowaniu zasilania, gdy MOSFET jest podłączony do masy, a obciążenie jest podłączone do napięcia sieciowego, MOSFET tworzy przełącznik strony niskiego napięcia. W przełączniku strony niskiego napięcia należy zastosować N-kanałowe tranzystory MOSFET ze względu na napięcie wymagane do wyłączenia lub włączenia urządzenia. Gdy MOSFET jest podłączony do magistrali i obciążenie do masy, używany jest przełącznik strony wysokiej. W tej topologii zwykle stosuje się tranzystory MOSFET z kanałem P, co wynika również z rozważań dotyczących napędu napięciowego. Aby wybrać odpowiednie urządzenie do swojej aplikacji, musisz określić w swoim projekcie napięcie wymagane do zasilania urządzenia i najłatwiejszy sposób, aby to zrobić. Następnym krokiem jest określenie wymaganego napięcia znamionowego, czyli maksymalnego napięcia, jakie urządzenie może wytrzymać. Im wyższe napięcie znamionowe, tym wyższy koszt urządzenia. Z praktycznego doświadczenia wynika, że ​​napięcie znamionowe powinno być wyższe od napięcia sieciowego lub napięcia magistrali. Zapewni to wystarczającą ochronę, aby MOSFET nie uległ awarii. Wybierając MOSFET, należy określić maksymalne napięcie, jakie można tolerować od drenu do źródła, czyli maksymalne VDS. Ważne jest, aby wiedzieć, że maksymalne napięcie, jakie MOSFET może wytrzymać zmiany wraz z temperaturą. Projektanci muszą przetestować zmiany napięcia w całym zakresie temperatur roboczych. Napięcie znamionowe musi mieć wystarczający margines, aby pokryć ten zakres zmienności i zapewnić, że obwód nie ulegnie awarii. Inne czynniki bezpieczeństwa, które inżynierowie projektujący muszą wziąć pod uwagę, obejmują stany nieustalone napięcia indukowane przez elektronikę przełączającą, taką jak silniki lub transformatory. Napięcia znamionowe różnią się w zależności od zastosowań; zazwyczaj 20 V dla urządzeń przenośnych, 20–30 V dla zasilaczy FPGA i 450–600 V dla zastosowań 85–220 V AC.

Krok 2: Określ prąd znamionowy

Drugim krokiem jest wybranie aktualnej wartości znamionowej MOSFET-u. W zależności od konfiguracji obwodu, ten prąd znamionowy powinien być maksymalnym prądem, jaki obciążenie może wytrzymać w każdych okolicznościach. Podobnie jak w przypadku napięcia, projektant musi upewnić się, że wybrany MOSFET wytrzyma tę wartość znamionową prądu, nawet jeśli system generuje skoki prądu. Brane są pod uwagę dwa warunki prądu: tryb ciągły i impuls impulsowy. W trybie ciągłego przewodzenia MOSFET znajduje się w stanie ustalonym, w którym prąd przepływa przez urządzenie w sposób ciągły. Skok impulsu oznacza duży udar (lub prąd szczytowy) przepływający przez urządzenie. Po określeniu maksymalnego prądu w tych warunkach pozostaje tylko wybrać urządzenie, które wytrzyma ten maksymalny prąd. Po wybraniu prądu znamionowego należy również obliczyć straty przewodzenia. W rzeczywistych sytuacjach MOSFET nie jest urządzeniem idealnym, ponieważ w procesie przewodzenia występują straty energii elektrycznej, co nazywa się stratami przewodzenia. MOSFET zachowuje się jak rezystor zmienny, gdy jest „włączony”, co jest określane przez RDS (ON) urządzenia i zmienia się znacząco wraz z temperaturą. Stratę mocy urządzenia można obliczyć ze wzoru Iload2×RDS(ON). Ponieważ rezystancja włączenia zmienia się wraz z temperaturą, utrata mocy również zmieni się proporcjonalnie. Im wyższe napięcie VGS przyłożone do MOSFET-u, tym mniejszy będzie RDS(ON); i odwrotnie, im wyższy będzie poziom RDS(ON). Dla projektanta systemu w tym miejscu pojawiają się kompromisy w zależności od napięcia systemu. W przypadku konstrukcji przenośnych łatwiej (i częściej) jest stosować niższe napięcia, natomiast w projektach przemysłowych można zastosować wyższe napięcia. Należy pamiętać, że rezystancja RDS(ON) nieznacznie wzrośnie wraz z prądem. Różnice w różnych parametrach elektrycznych rezystora RDS(ON) można znaleźć w karcie technicznej dostarczonej przez producenta. Technologia ma znaczący wpływ na charakterystykę urządzenia, ponieważ niektóre technologie mają tendencję do zwiększania RDS(ON) przy zwiększaniu maksymalnego VDS. W przypadku takiej technologii, jeśli zamierza się zmniejszyć VDS i RDS(ON), należy zwiększyć rozmiar chipa, zwiększając w ten sposób pasujący rozmiar opakowania i powiązane koszty rozwoju. W branży istnieje kilka technologii próbujących kontrolować wzrost rozmiaru chipa, z których najważniejsze to technologie równoważenia kanałów i ładunku. W technologii wykopowej w płytce osadzony jest głęboki rowek, zwykle zarezerwowany dla niskich napięć, w celu zmniejszenia rezystancji RDS(ON). Aby zmniejszyć wpływ maksymalnego VDS na RDS(ON), w procesie opracowywania zastosowano proces epitaksjalnej kolumny wzrostu/kolumny trawiącej. Na przykład firma Fairchild Semiconductor opracowała technologię o nazwie SuperFET, która dodaje dodatkowe etapy produkcyjne w celu redukcji RDS(ON). Skupienie się na RDS(ON) jest ważne, ponieważ wraz ze wzrostem napięcia przebicia standardowego MOSFET-a, RDS(ON) wzrasta wykładniczo i prowadzi do wzrostu rozmiaru matrycy. Proces SuperFET zmienia wykładniczą zależność pomiędzy RDS(ON) a rozmiarem płytki na zależność liniową. W ten sposób urządzenia SuperFET mogą osiągnąć idealnie niski poziom RDS(ON) przy małych rozmiarach matryc, nawet przy napięciach przebicia do 600 V. W rezultacie rozmiar wafla można zmniejszyć nawet o 35%. Dla użytkowników końcowych oznacza to znaczne zmniejszenie rozmiaru opakowania.

Krok trzeci: Określ wymagania termiczne

Następnym krokiem w wyborze MOSFET-u jest obliczenie wymagań termicznych systemu. Projektanci muszą wziąć pod uwagę dwa różne scenariusze, najgorszy scenariusz i scenariusz ze świata rzeczywistego. Zaleca się stosowanie najgorszego wyniku obliczeń, gdyż taki wynik zapewnia większy margines bezpieczeństwa i pewność, że system nie ulegnie awarii. Istnieją również pewne dane pomiarowe, które wymagają uwagi w arkuszu danych MOSFET; takie jak opór cieplny pomiędzy złączem półprzewodnikowym zapakowanego urządzenia a otoczeniem oraz maksymalna temperatura złącza. Temperatura złącza urządzenia jest równa maksymalnej temperaturze otoczenia plus iloczyn oporu cieplnego i straty mocy (temperatura złącza = maksymalna temperatura otoczenia + [opór cieplny × rozpraszanie mocy]). Zgodnie z tym równaniem można obliczyć maksymalne straty mocy w systemie, które z definicji są równe I2×RDS(ON). Ponieważ projektant określił maksymalny prąd, który będzie przepływał przez urządzenie, RDS(ON) można obliczyć w różnych temperaturach. Warto zauważyć, że mając do czynienia z prostymi modelami termicznymi, projektanci muszą również wziąć pod uwagę pojemność cieplną złącza półprzewodnikowego/obudowy urządzenia i obudowy/otoczenia; wymaga to, aby płytka drukowana i opakowanie nie nagrzewały się natychmiast. Przebicie lawinowe oznacza, że ​​napięcie wsteczne na urządzeniu półprzewodnikowym przekracza wartość maksymalną i tworzy silne pole elektryczne, które zwiększa prąd w urządzeniu. Prąd ten rozproszy moc, zwiększy temperaturę urządzenia i może spowodować jego uszkodzenie. Firmy produkujące półprzewodniki przeprowadzą testy lawinowe urządzeń, obliczą ich napięcie lawinowe lub sprawdzą wytrzymałość urządzenia. Istnieją dwie metody obliczania znamionowego napięcia lawinowego; jedna to metoda statystyczna, a druga to obliczenia termiczne. Obliczenia termiczne są szeroko stosowane, ponieważ są bardziej praktyczne. Wiele firm udostępniło szczegółowe informacje na temat testów swoich urządzeń. Na przykład firma Fairchild Semiconductor udostępnia „Wytyczne dotyczące lawin Power MOSFET” (Wytyczne dotyczące lawin Power MOSFET – można je pobrać ze strony internetowej Fairchild). Oprócz informatyki duży wpływ na efekt lawinowy ma również technologia. Na przykład zwiększenie rozmiaru matrycy zwiększa odporność na lawiny i ostatecznie zwiększa wytrzymałość urządzenia. Dla użytkowników końcowych oznacza to korzystanie z większych pakietów w systemie.

Krok 4: Określ wydajność przełącznika

Ostatnim krokiem przy wyborze MOSFET-u jest określenie wydajności przełączania MOSFET-u. Istnieje wiele parametrów wpływających na wydajność przełączania, ale najważniejsze to pojemność bramki/drenu, bramki/źródła i drenu/źródła. Kondensatory te powodują straty przełączania w urządzeniu, ponieważ są ładowane przy każdym przełączeniu. W związku z tym zmniejsza się prędkość przełączania MOSFET-u i zmniejsza się także wydajność urządzenia. Aby obliczyć całkowite straty w urządzeniu podczas przełączania, projektant musi obliczyć straty podczas włączania (Eon) i straty podczas wyłączania (Eoff). Całkowitą moc przełącznika MOSFET można wyrazić za pomocą następującego równania: Psw=(Eon+Eoff)×częstotliwość przełączania. Ładunek bramki (Qgd) ma największy wpływ na wydajność przełączania. Ze względu na znaczenie wydajności przełączania stale opracowywane są nowe technologie mające na celu rozwiązanie tego problemu przełączania. Zwiększanie rozmiaru chipa zwiększa ładunek bramki; zwiększa to rozmiar urządzenia. Aby zmniejszyć straty przełączania, pojawiły się nowe technologie, takie jak utlenianie na dnie w grubym kanale, mające na celu zmniejszenie ładunku bramki. Na przykład nowa technologia SuperFET może zminimalizować straty przewodzenia i poprawić wydajność przełączania poprzez zmniejszenie RDS(ON) i ładunku bramki (Qg). W ten sposób tranzystory MOSFET radzą sobie z szybkimi stanami przejściowymi napięcia (dv/dt) i stanami przejściowymi prądu (di/dt) podczas przełączania, a nawet mogą niezawodnie działać przy wyższych częstotliwościach przełączania.