Зрозумійте MOSFET в одній статті

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.