Силові напівпровідникові прилади широко використовуються в промисловості, споживанні, військовій та інших сферах і займають високе стратегічне положення. Поглянемо на картинку загальну картину силових пристроїв:
За ступенем керування сигналами схеми силові напівпровідникові прилади можна розділити на повний тип, напівкерований тип і некерований тип. Або відповідно до властивостей сигналу керуючої схеми, її можна розділити на керований напругою тип, тип керований струмом тощо.
| Класифікація | типу | Специфічні силові напівпровідникові прилади |
| Керованість електричних сигналів | Напівкерований тип | SCR |
| Повний контроль | GTO、GTR，MOSFET、IGBT | |
| Неконтрольований | Силовий діод | |
| Властивості керуючого сигналу | Тип керування напругою | IGBT、MOSFET、SITH |
| Поточний керований тип | SCR、GTO、GTR | |
| Ефективна форма сигналу | Імпульсний тип тригера | SCR、GTO |
| Електронний тип управління | GTR、MOSFET、IGBT | |
| Ситуації, в яких беруть участь електрони зі струмом | біполярний пристрій | Силовий діод、SCR、GTO、GTR、BSIT、BJT |
| Однополярний прилад | MOSFET, SIT | |
| Композитний пристрій | MCT, IGBT, SITH і IGCT |
Різні потужні напівпровідникові пристрої мають різні характеристики, такі як напруга, сила струму, здатність до повного опору та розмір. У реальному використанні відповідні пристрої потрібно вибирати відповідно до різних сфер і потреб.
З моменту свого народження напівпровідникова промисловість пройшла через три покоління матеріальних змін. Досі перший напівпровідниковий матеріал, представлений кремнієм, все ще в основному використовується в області силових напівпровідникових пристроїв.
| Напівпровідниковий матеріал | заборонена зона (еВ) | Температура плавлення (K) | основне застосування | |
| Напівпровідникові матеріали 1-го покоління | Ge | 1.1 | 1221 | Транзистори низької напруги, низької частоти, середньої потужності, фотоприймачі |
| Напівпровідникові матеріали 2 покоління | Si | 0,7 | 1687 рік | |
| Напівпровідникові матеріали 3 покоління | GaAs | 1.4 | 1511 | Мікрохвильові, прилади міліметрового діапазону, світловипромінювальні прилади |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Високотемпературні, високочастотні, радіаційно стійкі прилади великої потужності 2. Сині, сортові, фіолетові світлодіоди, напівпровідникові лазери | |
| GaN | 3.4 | 1973 рік | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | ＞3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Узагальніть характеристики напівкерованих і повністю керованих силових пристроїв:
| Тип пристрою | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Тип управління | Імпульсний тригер | Поточний контроль | контроль напруги | кіноцентр |
| лінія самовідключення | Відключення комутації | пристрій самовідключення | пристрій самовідключення | пристрій самовідключення |
| робоча частота | <1 кГц | <30 кГц | 20 кГц-МГц | <40 кГц |
| Рушійна сила | маленький | великий | маленький | маленький |
| комутаційні втрати | великий | великий | великий | великий |
| втрата провідності | маленький | маленький | великий | маленький |
| Напруга і рівень струму | 最大 | великий | мінімум | більше |
| Типові застосування | Середньочастотний індукційний нагрів | Частотний перетворювач ДБЖ | імпульсний джерело живлення | Частотний перетворювач ДБЖ |
| ціна | найнижчий | нижче | в середині | Найдорожчий |
| ефект модуляції провідності | мати | мати | немає | мати |
Познайомтеся з MOSFET
MOSFET має високий вхідний опір, низький рівень шуму та хорошу термічну стабільність; він має простий процес виготовлення та сильне випромінювання, тому зазвичай використовується в схемах підсилювачів або комутаційних схемах;
(1) Основні параметри вибору: напруга сток-джерело VDS (витримувана напруга), постійний струм витоку ID, опір увімкнення RDS(on), вхідна ємність Ciss (ємність переходу), коефіцієнт якості FOM=Ron*Qg тощо.
(2) Відповідно до різних процесів, він поділяється на TrenchMOS: trench MOSFET, в основному в полі низької напруги в межах 100 В; SGT (Split Gate) MOSFET: МОП-транзистор з розділеним затвором, переважно в полі середньої та низької напруги в межах 200 В; SJ MOSFET: MOSFET з суперпереходом, головним чином у полі високої напруги 600-800 В;
У імпульсному джерелі живлення, такому як ланцюг з відкритим стоком, стік підключений до навантаження без змін, що називається відкритим стоком. У ланцюзі з відкритим стоком, незалежно від того, наскільки висока напруга підключено до навантаження, струм навантаження можна вмикати та вимикати. Це ідеальний аналоговий комутаційний пристрій. Це принцип MOSFET як комутаційного пристрою.
З точки зору частки ринку, МОП-транзистори майже всі зосереджені в руках великих міжнародних виробників. Серед них Infineon придбав IR (American International Rectifier Company) у 2015 році та став лідером галузі. ON Semiconductor також завершила придбання Fairchild Semiconductor у вересні 2016 року. Частка ринку підскочила на друге місце, а потім у рейтингу продажів були Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna тощо;
Основні бренди MOSFET діляться на кілька серій: американську, японську та корейську.
Американські серії: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS та ін.;
Японські: Toshiba, Renesas, ROHM та ін.;
Корейські серії: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Категорії пакетів MOSFET
Відповідно до способу встановлення на друкованій платі існує два основних типи корпусів MOSFET: плагін (Through Hole) і поверхневий монтаж (Surface Mount).
Вставний тип означає, що контакти MOSFET проходять через монтажні отвори плати друкованої плати та приварюються до плати друкованої плати. Звичайні пакети плагінів включають: дворядний пакет (DIP), транзисторний контурний пакет (TO) і пакет матриці контактів (PGA).
Упаковка плагіна
Поверхневий монтаж - це місце, де штирі MOSFET і фланець розсіювання тепла приварюються до контактних площадок на поверхні друкованої плати. Типові пакети для поверхневого монтажу включають: контур транзистора (D-PAK), транзистор малого контуру (SOT), корпус малого контуру (SOP), квадратний плоский корпус (QFP), пластиковий держатель мікросхем (PLCC) тощо.
пакет для поверхневого монтажу
З розвитком технологій друковані плати, такі як материнські плати та графічні карти, наразі використовують все менше упаковки для прямого підключення, а використовується упаковка для поверхневого монтажу.
1. Дворядний пакет (DIP)
Пакет DIP має два ряди контактів, і його потрібно вставляти в гніздо мікросхеми зі структурою DIP. Його метод виведення — SDIP (Shrink DIP), який є скорочуваним дворядним пакетом. Щільність штифтів в 6 разів вище, ніж у DIP.
Форми структури упаковки DIP включають: багатошарову кераміку Dual-in-Line DIP, одношарову кераміку Dual-in-Line DIP, свинцеву рамку DIP (включаючи склокерамічну герметичну структуру, тип пластикової інкапсуляції, керамічну інкапсуляцію з низькоплавкого скла). типу) тощо. Характеристика DIP-упаковки полягає в тому, що вона може легко здійснити зварювання наскрізних отворів друкованих плат і має хорошу сумісність з материнською платою.
Однак, оскільки його площа та товщина упаковки є відносно великими, а штифти легко пошкодити під час процесу підключення та від’єднання, надійність є низькою. У той же час, через вплив процесу, кількість штифтів, як правило, не перевищує 100. Тому в процесі високої інтеграції електронної промисловості DIP-упаковка поступово вийшла зі сцени історії.
2. Контурний пакет транзисторів (TO)
Перші специфікації упаковки, такі як TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 тощо, — це дизайни упаковки, що підключаються.
TO-3P/247: це широко використовувана форма упаковки для МОП-транзисторів середньої та високої напруги та сильного струму. Продукт має характеристики високої витримуваної напруги та міцної стійкості до пробою.
TO-220/220F: TO-220F є повністю пластиковим пакетом, і немає необхідності додавати ізоляційну прокладку при установці його на радіатор; ТО-220 має металевий лист, з'єднаний із середнім штифтом, і при установці радіатора потрібна ізоляційна прокладка. МОП-транзистори цих двох типів корпусів мають схожий зовнішній вигляд і можуть використовуватися як взаємозамінні.
TO-251: цей упакований продукт в основному використовується для зменшення витрат і розміру продукту. Він в основному використовується в середовищах із середньою напругою та високим струмом нижче 60 А та високою напругою нижче 7 Н.
TO-92: Цей пакет використовується лише для низьковольтних MOSFET (струм нижче 10 А, витримує напругу нижче 60 В) і високовольтних 1N60/65, щоб зменшити витрати.
Останніми роками через високу вартість зварювання процесу упаковки, що вставляється, і нижчу ефективність розсіювання тепла, ніж продукти типу латок, попит на ринку поверхневого монтажу продовжував зростати, що також призвело до розробки упаковки TO. в упаковку для поверхневого монтажу.
TO-252 (також званий D-PAK) і TO-263 (D2PAK) є пакетами для поверхневого монтажу.。
Зовнішній вигляд товару на упаковці
TO252/D-PAK — це пластиковий корпус мікросхем, який зазвичай використовується для упаковки силових транзисторів і мікросхем стабілізації напруги. Це один із поточних основних пакетів. MOSFET, який використовує цей метод упаковки, має три електроди: затвор (G), стік (D) і витік (S). Зливний штифт (D) відрізаний і не використовується. Натомість радіатор на задній панелі використовується як дренаж (D), який безпосередньо приварений до друкованої плати. З одного боку, він використовується для виведення великих струмів, а з іншого боку, він розсіює тепло через друковану плату. Таким чином, на друкованій платі є три майданчики D-PAK, а контактна площадка (D) більша. Специфікації його упаковки такі:
Специфікації розміру упаковки TO-252/D-PAK
ТО-263 є різновидом ТО-220. В основному він призначений для підвищення ефективності виробництва та розсіювання тепла. Він підтримує надзвичайно високий струм і напругу. Це частіше зустрічається в МОП-транзисторах середньої напруги з сильним струмом нижче 150 А та вище 30 В. На додаток до D2PAK (TO-263AB), він також включає в себе TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 та інші стилі, які підпорядковуються TO-263, головним чином через різну кількість і відстань контактів .
Специфікація розміру упаковки TO-263/D2PAKs
3. Пакет масиву контактної сітки (PGA)
Всередині та зовні мікросхеми PGA (Pin Grid Array Package) є кілька квадратних контактів. Кожен квадратний висновок масиву розташований на певній відстані навколо мікросхеми. Залежно від кількості кеглів можна сформувати від 2 до 5 кіл. Під час установки просто вставте мікросхему в спеціальне гніздо PGA. Він має такі переваги, як легке підключення та відключення, висока надійність і здатність адаптуватися до вищих частот.
Стиль пакету PGA
Більшість його підкладок для мікросхем виготовлені з керамічного матеріалу, а деякі використовують спеціальну пластикову смолу як підкладку. З точки зору технології, міжцентрова відстань зазвичай становить 2,54 мм, а кількість штифтів коливається від 64 до 447. Характеристика цього виду упаковки полягає в тому, що чим менша площа упаковки (об’єм), тим менше енергоспоживання (продуктивність). ) він може витримати, і навпаки. Такий стиль упаковки чіпів був більш поширеним у перші дні, і в основному використовувався для упаковки енергоспоживаючих продуктів, таких як процесори. Наприклад, Intel 80486 і Pentium використовують цей стиль упаковки; він не широко прийнятий виробниками MOSFET.
4. Малий корпус транзисторів (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) — це пакет малих потужних транзисторів патч-типу, що включає переважно SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (тобто SOT23-5) тощо. SOT323, SOT363/SOT26 (тобто SOT23-6) та інші типи похідні, які менші за розміром, ніж пакети TO.
Тип пакету SOT
SOT23 — це широко використовуваний транзисторний корпус із трьома крилоподібними контактами, а саме колектором, емітером і базою, які вказані з обох сторін довгої сторони компонента. Серед них емітер і база знаходяться на одній стороні. Вони поширені в малопотужних транзисторах, польових транзисторах і композитних транзисторах з резисторними мережами. Вони мають хорошу міцність, але погано піддаються паюванню. Зовнішній вигляд показаний на малюнку (a) нижче.
SOT89 має три короткі контакти, розподілені з одного боку транзистора. Інша сторона - це металевий радіатор, з'єднаний з основою для збільшення здатності розсіювати тепло. Він поширений у кремнієвих силових транзисторах поверхневого монтажу та підходить для застосувань з більшою потужністю. Зовнішній вигляд показаний на малюнку (b) нижче.
SOT143 має чотири короткі крилоподібні штирі, які виведені з обох сторін. Більш широкий кінець штиря є колектором. Цей тип корпусу є звичайним у високочастотних транзисторах, і його зовнішній вигляд показаний на малюнку (c) нижче.
SOT252 - це потужний транзистор з трьома висновками, що виходять з одного боку, а середній висновок коротший і є колектором. Під’єднайте до більшого штиря на іншому кінці, який є мідним листом для розсіювання тепла, і його вигляд такий, як показано на малюнку (d) нижче.
Звичайне порівняння зовнішнього вигляду упаковки SOT
MOSFET з чотирма клемами SOT-89 зазвичай використовується на материнських платах. Його технічні характеристики та розміри такі:
Специфікації розміру MOSFET SOT-89 (одиниці: мм)
5. Малий плановий пакет (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) — один із пакетів для поверхневого монтажу, який також називають SOL або DFP. Булавки витягуються з обох боків упаковки у формі крила чайки (L-форма). Матеріали пластик і кераміка. Стандарти упаковки SOP включають SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 тощо. Число після SOP вказує на кількість штифтів. Більшість корпусів MOSFET SOP приймають специфікації SOP-8. Індустрія часто пропускає «P» і скорочує її як SO (Small Out-Line).
Розмір упаковки СОП-8
SO-8 вперше був розроблений компанією PHILIP. Він упакований у пластик, не має нижньої пластини, що розсіює тепло, і має погане розсіювання тепла. Зазвичай він використовується для МОП-транзисторів малої потужності. Пізніше стандартні специфікації, такі як TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) тощо, були поступово виведені; серед них TSOP і TSSOP зазвичай використовуються в упаковці MOSFET.
Похідні SOP специфікації, які зазвичай використовуються для MOSFET
6. Пакет Quad Flat Package (QFP)
Відстань між контактами мікросхеми в пакеті QFP (Plastic Quad Flat Package) дуже мала, а контакти дуже тонкі. Він, як правило, використовується у великих або надвеликих інтегральних схемах, і кількість контактів, як правило, перевищує 100. Мікросхеми, упаковані в такій формі, повинні використовувати технологію поверхневого монтажу SMT для припаювання мікросхеми до материнської плати. Цей метод упаковки має чотири основні характеристики: ① Він підходить для технології поверхневого монтажу SMD для встановлення проводки на друкованих платах; ② Підходить для високочастотного використання; ③ Він простий в експлуатації та має високу надійність; ④ Співвідношення між площею мікросхеми та площею упаковки невелике. Подібно до методу упаковки PGA, цей метод упаковки загортає чіп у пластиковий пакет і не може розсіювати тепло, яке утворюється під час своєчасної роботи чіпа. Це обмежує покращення продуктивності MOSFET; а сама пластикова упаковка збільшує габарити приладу, що не відповідає вимогам розвитку напівпровідників у напрямку бути легким, тонким, коротким, маленьким. Крім того, цей тип упаковки заснований на одному чіпі, що має проблеми з низькою ефективністю виробництва та високою вартістю упаковки. Таким чином, QFP більше підходить для використання в цифрових логічних схемах LSI, таких як мікропроцесори/матриці вентилів, а також підходить для упаковки аналогових схем LSI, таких як обробка сигналу VTR та обробка аудіосигналу.
7、Чотири плоский пакет без проводів (QFN)
Пакет QFN (Quad Flat Non-leaded package) оснащений електродними контактами з усіх чотирьох сторін. Оскільки немає проводів, монтажна площа менша, ніж у QFP, а висота менша, ніж у QFP. Серед них керамічні QFN також називаються LCC (Leadless Chip Carriers), а недорогі пластикові QFN із використанням основного матеріалу, надрукованого на скляній епоксидній смолі, називають пластиковими LCC, PCLC, P-LCC тощо. Це нова упаковка мікросхем для поверхневого монтажу. технологія з малим розміром колодки, невеликим об’ємом і пластиком як ущільнювальним матеріалом. QFN в основному використовується для упаковки інтегральних схем, а MOSFET не використовуватиметься. Однак, оскільки Intel запропонувала інтегрований драйвер і рішення MOSFET, вона випустила DrMOS у корпусі QFN-56 («56» відноситься до 56 з’єднувальних контактів на задній частині мікросхеми).
Слід зазначити, що пакет QFN має таку саму конфігурацію зовнішнього проводу, як і ультратонкий пакет малого контуру (TSSOP), але його розмір на 62% менший, ніж TSSOP. Відповідно до даних моделювання QFN, його теплові характеристики на 55% вищі, ніж у упаковки TSSOP, а електричні характеристики (індуктивність і ємність) на 60% і 30% вищі, ніж у упаковки TSSOP відповідно. Найбільшим недоліком є те, що його важко ремонтувати.
DrMOS в корпусі QFN-56
Традиційні дискретні імпульсні блоки живлення постійного/постійного струму не можуть задовольнити вимоги щодо вищої щільності потужності, а також не можуть вирішити проблему паразитних ефектів параметрів на високих частотах комутації. З інноваціями та прогресом технологій інтеграція драйверів і MOSFET для створення багатокристальних модулів стала реальністю. Цей метод інтеграції може значно заощадити простір і збільшити щільність споживання електроенергії. Завдяки оптимізації драйверів і MOSFET це стало реальністю. Енергоефективність і високоякісний постійний струм — це мікросхема інтегрованого драйвера DrMOS.
Renesas DrMOS 2-го покоління
Безвивідний корпус QFN-56 робить тепловий опір DrMOS дуже низьким; Завдяки внутрішньому з’єднанню дротів і дизайну мідних затискачів можна звести до мінімуму зовнішню проводку друкованої плати, тим самим зменшуючи індуктивність і опір. Крім того, глибококанальний кремнієвий МОП-транзистор може також значно зменшити провідність, комутацію та втрати заряду затвора; він сумісний з різноманітними контролерами, може досягати різних режимів роботи та підтримує режим активного перетворення фаз APS (автоматичне перемикання фаз). На додаток до упаковки QFN, двостороння плоска упаковка без свинцю (DFN) також є новим електронним процесом упаковки, який широко використовується в різних компонентах ON Semiconductor. У порівнянні з QFN, DFN має менше вивідних електродів з обох сторін.
8、Пластиковий чіп із свинцем (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) має квадратну форму і набагато менший за пакет DIP. Він має 32 шпильки з шпильками навколо. Булавки виведені з чотирьох сторін упаковки у формі Т. Це пластиковий виріб. Міжцентрова відстань штифтів становить 1,27 мм, а кількість штифтів коливається від 18 до 84. J-подібні штифти нелегко деформуються, і ними легше керувати, ніж QFP, але перевірити зовнішній вигляд після зварювання складніше. Упаковка PLCC підходить для монтажу проводки на друкованій платі за допомогою технології поверхневого монтажу SMT. Він має такі переваги, як невеликий розмір і висока надійність. Упаковка PLCC є відносно поширеною та використовується в логічних LSI, DLD (або програмних логічних пристроях) та інших схемах. Ця форма упаковки часто використовується в BIOS материнської плати, але наразі вона менш поширена в MOSFET.
Інкапсуляція та вдосконалення для основних підприємств
Через тенденцію розвитку низької напруги та високого струму в процесорах МОП-транзистори повинні мати великий вихідний струм, низький опір увімкнення, низьке теплоутворення, швидке розсіювання тепла та малий розмір. Окрім удосконалення технології та процесів виробництва мікросхем, виробники MOSFET також продовжують вдосконалювати технологію упаковки. На основі сумісності зі стандартними характеристиками зовнішнього вигляду вони пропонують нові форми упаковки та реєструють назви торгових марок для нових упаковок, які вони розробляють.
1、пакети RENESAS WPAK, LFPAK і LFPAK-I
WPAK — це пакет високотеплового випромінювання, розроблений Renesas. Імітуючи корпус D-PAK, радіатор мікросхеми приварений до материнської плати, і тепло розсіюється через материнську плату, так що маленький корпус WPAK також може досягати вихідного струму D-PAK. WPAK-D2 містить два MOSFET з високим/низьким рівнем для зменшення індуктивності проводки.
Розмір пакета Renesas WPAK
LFPAK і LFPAK-I — це ще два пакети малого форм-фактора, розроблені Renesas, які сумісні з SO-8. LFPAK схожий на D-PAK, але менший за D-PAK. LFPAK-i розміщує радіатор вгору, щоб розсіювати тепло через радіатор.
Пакети Renesas LFPAK і LFPAK-I
2. Упаковка Vishay Power-PAK і Polar-PAK
Power-PAK — це назва пакета MOSFET, зареєстрована Vishay Corporation. Power-PAK містить дві специфікації: Power-PAK1212-8 і Power-PAK SO-8.
Пакет Vishay Power-PAK1212-8
Пакет Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK — це невелика упаковка з двостороннім розсіюванням тепла, яка є однією з основних технологій пакування Vishay. Polar PAK - це те ж саме, що і звичайний пакет so-8. Він має точки розсіювання як на верхній, так і на нижній сторонах упаковки. Це непросто накопичувати тепло всередині корпусу і може збільшити щільність робочого струму в два рази, ніж SO-8. Наразі компанія Vishay ліцензувала технологію Polar PAK компанії STMicroelectronics.
Пакет Vishay Polar PAK
3. Плоскі свинцеві пакети Onsemi SO-8 і WDFN8
Компанія ON Semiconductor розробила два типи МОП-транзисторів з плоскими виводами, серед яких SO-8-сумісні з плоскими виводами використовуються на багатьох платах. Нещодавно випущені силові MOSFET NVMx і NVTx від ON Semiconductor використовують компактні корпуси DFN5 (SO-8FL) і WDFN8 для мінімізації втрат на провідність. Він також має низьку QG і ємність для мінімізації втрат драйвера.
ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package
Пакет ON Semiconductor WDFN8
4. Упаковка NXP LFPAK і QLPAK
Компанія NXP (раніше Philps) удосконалила технологію упаковки SO-8 у LFPAK і QLPAK. Серед них ЛФПАК вважається найнадійнішим силовим пакетом СО-8 у світі; тоді як QLPAK має характеристики невеликого розміру та вищої ефективності розсіювання тепла. У порівнянні зі звичайним SO-8, QLPAK займає площу друкованої плати 6*5 мм і має термічний опір 1,5 к/Вт.
Пакет NXP LFPAK
Упаковка NXP QLPAK
4. Корпус ST Semiconductor PowerSO-8
Технології упаковки потужних MOSFET мікросхем STMicroelectronics включають SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK тощо. Серед них Power SO-8 є вдосконаленою версією SO-8. Крім того, є пакети PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 та інші.
Корпус STMicroelectronics Power SO-8
5. Пакет Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 — ексклюзивна назва Farichild, а офіційна назва — DFN5×6. Його площа упаковки порівнянна з площею зазвичай використовуваного TSOP-8, і тонка упаковка зберігає висоту зазору компонентів, а конструкція Thermal-Pad у нижній частині зменшує термічний опір. Тому багато виробників силових пристроїв розгорнули DFN5×6.
Пакет Fairchild Power 56
6. International Rectifier (IR) Direct FET package
Прямий польовий транзистор забезпечує ефективне верхнє охолодження в розмірі SO-8 або менше та підходить для програм перетворення електроенергії змінного струму в постійний і постійний струм у комп’ютерах, ноутбуках, телекомунікаційному та побутовому електронному обладнанні. Конструкція металевої банки DirectFET забезпечує двостороннє розсіювання тепла, фактично подвоюючи можливості обробки струму високочастотних понижуючих перетворювачів постійного струму в порівнянні зі стандартними пластиковими дискретними корпусами. Корпус Direct FET має реверсивний тип із дренажним радіатором (D), спрямованим догори та покритим металевою оболонкою, через яку розсіюється тепло. Упаковка Direct FET значно покращує розсіювання тепла та займає менше місця з хорошим розсіюванням тепла.
Підведіть підсумки
У майбутньому, оскільки індустрія виробництва електроніки продовжує розвиватися в напрямку надтонких, мініатюрних, низьких напруг і високих струмів, зовнішній вигляд і внутрішня структура упаковки MOSFET також змінюватимуться, щоб краще адаптуватися до потреб розвитку виробництва. промисловість. Крім того, для того, щоб знизити поріг відбору для виробників електроніки, тенденція розвитку MOSFET у напрямку модульності та упаковки на системному рівні ставатиме все більш очевидною, а продукти будуть розроблятися скоординовано з багатьох вимірів, таких як продуктивність і вартість. . Пакет є одним із важливих критеріїв вибору MOSFET. Різні електронні вироби мають різні вимоги до електрики, а різні середовища встановлення також вимагають відповідності специфікаціям розміру. При фактичному виборі рішення має прийматися відповідно до реальних потреб за загальним принципом. Деякі електронні системи обмежені розміром друкованої плати та внутрішньою висотою. Наприклад, модульні джерела живлення систем зв'язку зазвичай використовують корпуси DFN5*6 і DFN3*3 через обмеження по висоті; У деяких джерелах живлення ACDC надтонкі конструкції або через обмеження оболонки придатні для складання силових МОП-транзисторів TO220. У цей час штифти можна вставляти безпосередньо в корінь, що не підходить для упакованих продуктів TO247; деякі надтонкі конструкції вимагають, щоб штирі пристрою були зігнуті та покладені рівно, що ускладнить вибір MOSFET.
Як вибрати MOSFET
Одного разу інженер сказав мені, що він ніколи не дивився на першу сторінку таблиці даних MOSFET, оскільки «практична» інформація з’являлася лише на другій сторінці та далі. Практично кожна сторінка таблиці даних MOSFET містить цінну інформацію для дизайнерів. Але не завжди зрозуміло, як інтерпретувати дані, надані виробниками.
У цій статті описано деякі ключові специфікації МОП-транзисторів, те, як вони вказані в таблиці даних, і чітку картину, необхідну для їх розуміння. Як і більшість електронних пристроїв, MOSFETs залежать від робочої температури. Тому важливо розуміти умови тестування, за яких застосовуються згадані показники. Важливо також зрозуміти, чи є показники, які ви бачите у «Ознайомленні з продуктом», «максимальними» чи «типовими» значеннями, тому що в деяких таблицях даних це не ясно.
Клас напруги
Основною характеристикою, яка визначає МОП-транзистор, є його напруга стік-витік VDS, або «напруга пробою стік-витік», що є найвищою напругою, яку може витримати МОП-транзистор без пошкодження, коли затвор замикається на витік і струм стоку становить 250 мкА. . VDS також називають «абсолютною максимальною напругою при 25°C», але важливо пам’ятати, що ця абсолютна напруга залежить від температури, і зазвичай у паспорті є «температурний коефіцієнт VDS». Ви також повинні розуміти, що максимальна VDS - це напруга постійного струму плюс будь-які стрибки та пульсації напруги, які можуть бути присутніми в ланцюзі. Наприклад, якщо ви використовуєте пристрій на 30 В від джерела живлення 30 В зі сплеском 100 мВ, 5 нс, напруга перевищить абсолютний максимальний ліміт пристрою, і пристрій може перейти в лавинний режим. У цьому випадку не можна гарантувати надійність MOSFET. При високих температурах температурний коефіцієнт може істотно змінити напругу пробою. Наприклад, деякі N-канальні MOSFET з номінальною напругою 600 В мають позитивний температурний коефіцієнт. Коли вони наближаються до максимальної температури переходу, температурний коефіцієнт змушує ці МОП-транзистори поводитися як МОП-транзистори на 650 В. Багато правил проектування користувачів MOSFET вимагають коефіцієнта зниження від 10% до 20%. У деяких конструкціях, враховуючи, що фактична напруга пробою на 5–10% вища за номінальне значення при 25°C, до фактичної конструкції буде додано відповідний корисний проектний запас, що є дуже корисним для конструкції. Не менш важливим для правильного вибору MOSFET є розуміння ролі напруги затвор-витік VGS під час процесу провідності. Ця напруга є напругою, яка забезпечує повну провідність MOSFET за заданого максимального режиму RDS (увімкнено). Ось чому опір увімкнення завжди пов’язаний з рівнем VGS, і лише при цій напрузі пристрій можна ввімкнути. Важливим наслідком конструкції є те, що ви не можете повністю ввімкнути MOSFET з напругою, нижчою за мінімальне VGS, яке використовується для досягнення рейтингу RDS(on). Наприклад, щоб повністю ввімкнути MOSFET за допомогою мікроконтролера 3,3 В, вам потрібно мати можливість увімкнути MOSFET на VGS=2,5 В або нижче.
Опір увімкнення, заряд воріт і "корисність"
Опір у відкритому стані MOSFET завжди визначається однією або кількома напругами затвор-витік. Максимальний ліміт RDS(on) може бути на 20–50% вищим за типове значення. Максимальне обмеження RDS(on) зазвичай відноситься до значення при температурі переходу 25°C. За вищих температур RDS(on) може збільшитися на 30% до 150%, як показано на малюнку 1. Оскільки RDS(on) змінюється залежно від температури, а мінімальне значення опору не може бути гарантовано, виявлення струму на основі RDS(on) неможливе дуже точний метод.
Малюнок 1 RDS(on) збільшується з температурою в діапазоні від 30% до 150% від максимальної робочої температури
Опір увімкнення дуже важливий як для N-канальних, так і для P-канальних MOSFET. В імпульсних джерелах живлення Qg є ключовим критерієм вибору для N-канальних MOSFET, які використовуються в імпульсних джерелах живлення, оскільки Qg впливає на втрати при перемиканні. Ці втрати мають два наслідки: один - це час перемикання, який впливає на вмикання та вимикання MOSFET; інший - це енергія, необхідна для зарядки ємності затвора під час кожного процесу перемикання. Єдине, про що слід пам’ятати, це те, що Qg залежить від напруги затвор-джерело, навіть якщо використання нижчого Vgs зменшує втрати при перемиканні. Як швидкий спосіб порівняння МОП-транзисторів, призначених для використання в комутаційних програмах, розробники часто використовують окрему формулу, що складається з RDS(on) для втрат на провідність і Qg для комутаційних втрат: RDS(on)xQg. Цей «показник ефективності» (FOM) узагальнює продуктивність пристрою та дозволяє порівнювати MOSFET з точки зору типових або максимальних значень. Щоб забезпечити точне порівняння між пристроями, вам потрібно переконатися, що той самий VGS використовується для RDS(on) і Qg, і що типові та максимальні значення не змішуються разом у публікації. Нижчий FOM забезпечить кращу продуктивність під час перемикання програм, але це не гарантовано. Найкращі результати порівняння можна отримати лише в реальній схемі, і в деяких випадках схему може знадобитися точно налаштувати для кожного MOSFET. Номінальний струм і розсіювана потужність, виходячи з різних умов випробування, більшість МОП-транзисторів мають один або більше безперервних струмів витоку в технічному паспорті. Ви захочете уважно переглянути специфікацію, щоб з’ясувати, чи відповідає номіналу температура корпусу (наприклад, TC=25°C) чи температура навколишнього середовища (наприклад, TA=25°C). Яке з цих значень є найбільш релевантним, залежатиме від характеристик пристрою та застосування (див. Малюнок 2).
Малюнок 2. Усі значення абсолютного максимального струму та потужності є реальними даними
Для невеликих пристроїв для поверхневого монтажу, які використовуються в портативних пристроях, найбільш відповідним рівнем струму може бути температура навколишнього середовища 70°C. Для великого обладнання з радіаторами та примусовим повітряним охолодженням поточний рівень при TA=25 ℃ може бути ближчим до фактичної ситуації. Для деяких пристроїв матриця може витримувати більший струм за максимальної температури з’єднання, ніж обмеження упаковки. У деяких таблицях даних цей «обмежений матрицею» рівень струму є додатковою інформацією до «обмеженого пакетом» рівня струму, який може дати вам уявлення про надійність матриці. Подібні міркування стосуються постійного розсіювання потужності, яке залежить не лише від температури, але й від часу. Уявіть собі пристрій, який безперервно працює при PD=4W протягом 10 секунд при TA=70 ℃. Що означає «безперервний» період часу, залежить від корпусу MOSFET, тому ви захочете використати графік нормалізованого теплового перехідного опору з таблиці даних, щоб побачити, як виглядає розсіювання потужності через 10 секунд, 100 секунд або 10 хвилин . Як показано на малюнку 3, коефіцієнт термічного опору цього спеціалізованого пристрою після 10-секундного імпульсу становить приблизно 0,33, що означає, що коли упаковка досягає теплового насичення приблизно через 10 хвилин, потужність розсіювання тепла пристрою становить лише 1,33 Вт замість 4 Вт. . Хоча потужність тепловіддачі пристрою може досягати близько 2 Вт при хорошому охолодженні.
Рисунок 3 Термічний опір MOSFET під час застосування імпульсу живлення
Насправді ми можемо розділити вибір MOSFET на чотири етапи.
Перший крок: виберіть канал N або канал P
Першим кроком у виборі правильного пристрою для вашої конструкції є рішення про використання N-канального або P-канального MOSFET. У типовій системі живлення, коли MOSFET підключений до землі, а навантаження підключено до напруги мережі, MOSFET формує перемикач низького рівня. У перемикачі низького рівня слід використовувати N-канальні MOSFET з огляду на напругу, необхідну для вимикання або ввімкнення пристрою. Коли МОП-транзистор підключено до шини та навантаження на землю, використовується перемикач високого рівня. У цій топології зазвичай використовуються P-канальні MOSFET, що також пов’язано з міркуваннями приводу напруги. Щоб вибрати правильний пристрій для вашої програми, ви повинні визначити напругу, необхідну для керування пристроєм, і найпростіший спосіб зробити це у вашій конструкції. Наступним кроком є визначення необхідної номінальної напруги або максимальної напруги, яку може витримати пристрій. Чим вище номінал напруги, тим вище вартість пристрою. Згідно з практичним досвідом, номінальна напруга має бути більшою за напругу мережі або шини. Це забезпечить достатній захист, щоб MOSFET не вийде з ладу. При виборі МОП-транзистору необхідно визначити максимальну напругу, яку можна допустити від стоку до витоку, тобто максимальну VDS. Важливо знати, що максимальна напруга, яку MOSFET може витримати при зміні температури. Розробники повинні перевіряти коливання напруги в усьому діапазоні робочих температур. Номінальна напруга повинна мати достатній запас для покриття цього діапазону коливань, щоб гарантувати, що схема не виходить з ладу. Інші фактори безпеки, які повинні враховувати інженери-проектувальники, включають перехідні процеси напруги, викликані перемиканням електроніки, такої як двигуни або трансформатори. Номінальна напруга різна для різних застосувань; зазвичай 20 В для портативних пристроїв, 20-30 В для джерел живлення FPGA і 450-600 В для додатків 85-220 В змінного струму.
Крок 2: Визначте номінальний струм
Другим кроком є вибір номіналу струму MOSFET. Залежно від конфігурації ланцюга цей номінальний струм має бути максимальним струмом, який може витримати навантаження за будь-яких обставин. Подібно до ситуації з напругою, розробник повинен переконатися, що вибраний MOSFET може витримувати цей номінальний струм, навіть якщо система генерує стрибки струму. Два розглянутих стану струму – безперервний режим і імпульсний сплеск. У режимі безперервної провідності MOSFET перебуває в усталеному стані, коли струм безперервно тече через пристрій. Стрибок імпульсу означає великий сплеск (або імпульсний струм), що протікає через пристрій. Коли максимальний струм за цих умов визначено, залишається просто вибрати пристрій, який може працювати з цим максимальним струмом. Після вибору номінального струму необхідно також розрахувати втрати провідності. У реальних ситуаціях MOSFET не є ідеальним пристроєм, оскільки під час процесу провідності відбувається втрата електричної енергії, яка називається втратою провідності. МОП-транзистор поводиться як змінний резистор, коли він увімкнений, що визначається RDS(ON) пристрою та значно змінюється залежно від температури. Втрату потужності пристрою можна розрахувати за Iload2×RDS(ON). Оскільки опір увімкнення змінюється з температурою, втрати потужності також змінюватимуться пропорційно. Чим вище напруга VGS, прикладена до MOSFET, тим меншим буде RDS(ON); і навпаки, тим вищим буде RDS(ON). Для розробника системи саме тут приходять компроміси залежно від напруги системи. Для портативних конструкцій простіше (і частіше) використовувати нижчі напруги, тоді як для промислових конструкцій можна використовувати вищі напруги. Зауважте, що опір RDS(ON) трохи зростатиме зі струмом. Варіанти різних електричних параметрів резистора RDS(ON) можна знайти в технічному паспорті, наданому виробником. Технологія має значний вплив на характеристики пристрою, оскільки деякі технології мають тенденцію до збільшення RDS(ON) при збільшенні максимального VDS. Для такої технології, якщо ви маєте намір зменшити VDS і RDS(ON), ви повинні збільшити розмір мікросхеми, тим самим збільшуючи відповідний розмір упаковки та відповідні витрати на розробку. У галузі існує кілька технологій, які намагаються контролювати збільшення розміру чіпа, найважливішими з яких є технології балансування каналів і заряду. У траншейній технології глибока канавка вбудована в пластину, зазвичай зарезервована для низьких напруг, щоб зменшити опір увімкнення RDS(ON). Щоб зменшити вплив максимальної VDS на RDS(ON), у процесі розробки використовувався процес колонки епітаксіального росту/колонки травлення. Наприклад, Fairchild Semiconductor розробила технологію під назвою SuperFET, яка додає додаткові етапи виробництва для зменшення RDS(ON). Цей фокус на RDS(ON) важливий, тому що зі збільшенням напруги пробою стандартного MOSFET, RDS(ON) зростає експоненціально та призводить до збільшення розміру кристала. Процес SuperFET змінює експоненціальне співвідношення між RDS(ON) і розміром пластини на лінійне. Таким чином, пристрої SuperFET можуть досягти ідеального низького RDS(ON) у кристалах малого розміру, навіть із напругою пробою до 600 В. У результаті розмір вафель можна зменшити до 35%. Для кінцевих користувачів це означає значне зменшення розміру упаковки.
Крок третій: визначення теплових вимог
Наступним кроком у виборі MOSFET є розрахунок теплових вимог системи. Розробники повинні розглянути два різні сценарії: найгірший сценарій і реальний сценарій. Рекомендується використовувати найгірший результат розрахунку, оскільки цей результат забезпечує більший запас міцності та гарантує, що система не виникне збій. Є також деякі дані вимірювань, які потребують уваги в таблиці даних MOSFET; наприклад термічний опір між напівпровідниковим з’єднанням упакованого пристрою та навколишнім середовищем, а також максимальна температура з’єднання. Температура з’єднання пристрою дорівнює максимальній температурі навколишнього середовища плюс добуток термічного опору та розсіюваної потужності (температура з’єднання = максимальна температура навколишнього середовища + [термічний опір × розсіювана потужність]). Відповідно до цього рівняння можна розв’язати максимальну розсіювану потужність системи, яка за визначенням дорівнює I2×RDS(ON). Оскільки розробник визначив максимальний струм, який буде проходити через пристрій, RDS(ON) можна розрахувати при різних температурах. Варто зазначити, що, маючи справу з простими тепловими моделями, розробники також повинні враховувати теплоємність напівпровідникового переходу/корпусу пристрою та корпусу/оточення; це вимагає, щоб друкована плата та упаковка не нагрівалися відразу. Лавинний пробій означає, що зворотна напруга на напівпровідниковому приладі перевищує максимальне значення і утворює сильне електричне поле для збільшення струму в пристрої. Цей струм розсіює потужність, підвищує температуру пристрою та, можливо, пошкоджує пристрій. Напівпровідникові компанії проведуть лавинне тестування пристроїв, обчислять їхню лавинну напругу або перевірять надійність пристрою. Існує два методи розрахунку номінальної лавинної напруги; один – статистичний метод, а інший – тепловий розрахунок. Тепловий розрахунок широко використовується, оскільки він більш практичний. Багато компаній надали подробиці тестування своїх пристроїв. Наприклад, Fairchild Semiconductor надає «Керівництво Power MOSFET Avalanche Guidelines» (Рекомендації Power MOSFET Avalanche можна завантажити з веб-сайту Fairchild). Окрім обчислень, на ефект лавини великий вплив мають технології. Наприклад, збільшення розміру матриці підвищує стійкість до лавин і, зрештою, підвищує надійність пристрою. Для кінцевих користувачів це означає використання більших пакетів у системі.
Крок 4. Визначте продуктивність комутатора
Останнім кроком у виборі MOSFET є визначення продуктивності перемикання MOSFET. Є багато параметрів, які впливають на продуктивність перемикання, але найважливішими є ємність затвор/сток, затвор/витік і стіка/витік. Ці конденсатори створюють втрати при перемиканні в пристрої, оскільки вони заряджаються щоразу під час перемикання. Таким чином, швидкість перемикання MOSFET зменшується, а ефективність пристрою також знижується. Щоб розрахувати загальні втрати в пристрої під час комутації, розробник повинен розрахувати втрати під час увімкнення (Eon) і втрати під час вимкнення (Eoff). Загальна потужність перемикача MOSFET може бути виражена наступним рівнянням: Psw=(Eon+Eoff)×частота перемикання. Заряд затвора (Qgd) має найбільший вплив на продуктивність комутації. Виходячи з важливості продуктивності комутації, постійно розробляються нові технології для вирішення цієї проблеми комутації. Збільшення розміру мікросхеми збільшує заряд затвора; це збільшує розмір пристрою. Щоб зменшити втрати при перемиканні, з’явилися нові технології, такі як окислення товстого дна каналу, спрямовані на зменшення заряду затвора. Наприклад, нова технологія SuperFET може мінімізувати втрати провідності та покращити продуктивність комутації шляхом зменшення RDS(ON) і заряду затвора (Qg). Таким чином, МОП-транзистори можуть справлятися з високошвидкісними перехідними процесами напруги (dv/dt) і перехідними процесами струму (di/dt) під час комутації, і навіть можуть надійно працювати на вищих частотах комутації.
Час публікації: 23 жовтня 2023 р
