Зразумець MOSFET у адным артыкуле

Малюнак 3 Цеплавое супраціўленне MOSFET пры падачы імпульсу харчавання

Фактычна, мы можам падзяліць выбар MOSFET на чатыры этапы.

Першы крок: выбраць канал N або канал P

Першым крокам у выбары правільнай прылады для вашай канструкцыі з'яўляецца прыняцце рашэння аб выкарыстанні N-канальнага або P-канальнага MOSFET. У тыповым прымяненні электраэнергіі, калі МОП-транзістар падлучаны да зазямлення, а нагрузка падключана да сеткавага напружання, МАП-транзістар утварае перамыкач нізкага ўзроўню. У пераключальніку нізкага ўзроўню варта выкарыстоўваць N-канальныя МАП-транзістары з улікам напружання, неабходнага для выключэння або ўключэння прылады. Калі MOSFET падлучаны да шыны і нагрузка да зямлі, выкарыстоўваецца перамыкач высокага боку. У гэтай тапалогіі звычайна выкарыстоўваюцца Р-канальныя МАП-транзістары, што таксама звязана з меркаваннямі прывада напружання. Каб выбраць правільную прыладу для вашага прыкладання, вы павінны вызначыць напружанне, неабходнае для кіравання прыладай, і самы просты спосаб зрабіць гэта ў вашай канструкцыі. Наступным крокам з'яўляецца вызначэнне патрабаванага намінальнага напружання або максімальнага напружання, якое можа вытрымаць прылада. Чым вышэй паказчык напружання, тым вышэй кошт прылады. Згодна з практычным вопытам, намінальнае напружанне павінна быць больш, чым напружанне сеткі або шыны. Гэта забяспечыць дастатковую абарону, так што MOSFET не выйдзе з ладу. Пры выбары МОП-транзістара неабходна вызначыць максімальнае напружанне, якое можна дапусціць ад сцёку да крыніцы, гэта значыць максімальнае VDS. Важна ведаць, што максімальнае напружанне MOSFET можа вытрымаць змены з тэмпературай. Дызайнеры павінны праверыць змены напружання ва ўсім дыяпазоне працоўных тэмператур. Намінальнае напружанне павінна мець дастатковы запас, каб пакрыць гэты дыяпазон змены, каб гарантаваць, што ланцуг не выйдзе з ладу. Іншыя фактары бяспекі, якія інжынеры-канструктары павінны ўлічваць, уключаюць пераходныя працэсы напружання, выкліканыя пераключэннем электронікі, такой як рухавікі або трансфарматары. Намінальныя напружання адрозніваюцца для розных прыкладанняў; звычайна 20 В для партатыўных прылад, 20-30 В для блокаў сілкавання FPGA і 450-600 В для прыкладанняў 85-220 В пераменнага току.

Крок 2: Вызначце намінальны ток

Другі крок - выбраць бягучы рэйтынг MOSFET. У залежнасці ад канфігурацыі ланцуга гэты намінальны ток павінен быць максімальным токам, які можа вытрымаць нагрузка пры любых абставінах. Падобна сітуацыі з напругай, дызайнер павінен пераканацца, што абраны МАП-транзістар можа вытрымліваць гэты намінальны ток, нават калі сістэма стварае скокі току. Разглядаюцца два ўмовы току: бесперапынны рэжым і ўсплёск імпульсу. У рэжыме бесперапыннай праводнасці MOSFET знаходзіцца ва ўстойлівым стане, калі ток бесперапынна цячэ праз прыладу. Усплёск імпульсу азначае вялікі ўсплёск (або ўсплёск току), які праходзіць праз прыладу. Пасля таго, як максімальны ток пры гэтых умовах вызначаны, застаецца толькі выбраць прыладу, якая вытрымлівае гэты максімальны ток. Пасля выбару намінальнага току неабходна таксама разлічыць страты праводнасці. У рэальных сітуацыях MOSFET не з'яўляецца ідэальнай прыладай, таму што падчас працэсу праводнасці адбываецца страта электрычнай энергіі, якая называецца стратай праводнасці. MOSFET паводзіць сябе як пераменны рэзістар, калі ён "уключаны", што вызначаецца RDS(ON) прылады і значна змяняецца з тэмпературай. Страты магутнасці прылады можна разлічыць па Iload2×RDS(ON). Паколькі супраціў уключэння змяняецца з тэмпературай, страты магутнасці таксама будуць змяняцца прапарцыйна. Чым вышэй напружанне VGS, якое падаецца на MOSFET, тым меншым будзе RDS(ON); і наадварот, чым вышэй будзе RDS(ON). Для распрацоўніка сістэмы менавіта тут прыходзяць кампрамісы ў залежнасці ад напружання сістэмы. Для партатыўных канструкцый прасцей (і часцей) выкарыстоўваць меншае напружанне, у той час як для прамысловых канструкцый можна выкарыстоўваць больш высокае напружанне. Звярніце ўвагу, што супраціўленне RDS(ON) будзе трохі павялічвацца з павелічэннем току. Адхіленні ў розных электрычных параметрах рэзістара RDS(ON) можна знайсці ў тэхнічным пашпарце, прадастаўленым вытворцам. Тэхналогія аказвае істотны ўплыў на характарыстыкі прылады, таму што некаторыя тэхналогіі схільныя павялічваць RDS(ON) пры павелічэнні максімальнага VDS. Для такой тэхналогіі, калі вы збіраецеся паменшыць VDS і RDS(ON), вы павінны павялічыць памер чыпа, тым самым павялічыўшы адпаведны памер пакета і адпаведныя выдаткі на распрацоўку. У галіны існуе некалькі тэхналогій, якія спрабуюць кантраляваць павелічэнне памеру чыпа, найбольш важнымі з якіх з'яўляюцца тэхналогіі балансавання каналаў і зарада. У траншэйнай тэхналогіі ў пласціну ўбудоўваецца глыбокая канава, звычайна зарэзерваваная для нізкіх напружанняў, каб паменшыць супраціўленне RDS(ON) уключэння. Каб паменшыць уплыў максімальнага VDS на RDS(ON), у працэсе распрацоўкі быў выкарыстаны працэс эпітаксійнай калонкі росту/калонкі тручэння. Напрыклад, Fairchild Semiconductor распрацавала тэхналогію пад назвай SuperFET, якая дадае дадатковыя этапы вытворчасці для зніжэння RDS(ON). Гэты акцэнт на RDS(ON) важны, таму што па меры павелічэння напружання прабоя стандартнага MOSFET, RDS(ON) павялічваецца ў геаметрычнай прагрэсіі і прыводзіць да павелічэння памеру штампа. Працэс SuperFET змяняе экспанентную залежнасць паміж RDS(ON) і памерам пласціны на лінейную. Такім чынам, прылады SuperFET могуць дасягнуць ідэальнага нізкага RDS(ON) у малых памерах штампаў, нават пры напрузе прабоя да 600 В. У выніку памер пласцін можна паменшыць да 35%. Для канчатковых карыстальнікаў гэта азначае значнае памяншэнне памеру пакета.

Крок трэці: вызначэнне цеплавых патрабаванняў

Наступным крокам у выбары MOSFET з'яўляецца разлік цеплавых патрабаванняў сістэмы. Дызайнеры павінны ўлічваць два розныя сцэнары, найгоршы сцэнар і рэальны сцэнар. Рэкамендуецца выкарыстоўваць найгоршы вынік разліку, таму што гэты вынік забяспечвае большы запас трываласці і гарантуе, што сістэма не выйдзе з ладу. Ёсць таксама некаторыя дадзеныя вымярэнняў, якія патрабуюць увагі ў табліцы дадзеных MOSFET; напрыклад цеплавое супраціўленне паміж паўправадніковым злучэннем спакаванай прылады і навакольным асяроддзем і максімальная тэмпература злучэння. Тэмпература спалучэння прылады роўная максімальнай тэмпературы навакольнага асяроддзя плюс твор цеплавога супраціўлення і рассейванай магутнасці (тэмпература спалучэння = максімальная тэмпература навакольнага асяроддзя + [тэрмічнае супраціўленне × магутнасць рассейвання]). У адпаведнасці з гэтым ураўненнем можна вырашыць максімальную рассейваную магутнасць сістэмы, якая па вызначэнні роўная I2×RDS(ON). Паколькі канструктар вызначыў максімальны ток, які будзе праходзіць праз прыладу, RDS(ON) можна разлічыць пры розных тэмпературах. Варта адзначыць, што, маючы справу з простымі цеплавымі мадэлямі, дызайнеры таксама павінны ўлічваць цеплавую магутнасць паўправадніковага пераходу/корпуса прылады і корпуса/асяроддзя; гэта патрабуе, каб друкаваная плата і пакет не награваліся адразу. Лавінны прабой азначае, што адваротнае напружанне на паўправадніковым прыладзе перавышае максімальнае значэнне і ўтварае моцнае электрычнае поле для павелічэння току ў прыладзе. Гэты ток будзе рассейваць энергію, павялічваць тэмпературу прылады і, магчыма, пашкодзіць прыладу. Паўправадніковыя кампаніі правядуць лавінныя выпрабаванні прылад, разлічаць іх лавінавае напружанне або правераць надзейнасць прылады. Ёсць два метады разліку намінальнага лавіннага напружання; адзін - статыстычны метад, а другі - цеплавы разлік. Шырока выкарыстоўваецца цеплавой разлік, таму што ён больш практычны. Многія кампаніі прадставілі падрабязную інфармацыю аб тэставанні сваіх прылад. Напрыклад, Fairchild Semiconductor прадастаўляе "Рэкамендацыі па лавінным сілавым MOSFET" (рэкамендацыі па Power MOSFET Avalanche можна загрузіць з вэб-сайта Fairchild). У дадатак да вылічэнняў, тэхналогіі таксама маюць вялікі ўплыў на эфект лавіны. Напрыклад, павелічэнне памеру штампа павялічвае лавінаўстойлівасць і, у канчатковым рахунку, павышае трываласць прылады. Для канчатковых карыстальнікаў гэта азначае выкарыстанне большых пакетаў у сістэме.

Крок 4: Вызначце прадукцыйнасць пераключальніка

Апошнім крокам у выбары MOSFET з'яўляецца вызначэнне прадукцыйнасці пераключэння MOSFET. Ёсць шмат параметраў, якія ўплываюць на прадукцыйнасць пераключэння, але найбольш важнымі з'яўляюцца ёмістасць затвор/сцёк, засаўка/крыніца і ёмістасць сцёк/крыніца. Гэтыя кандэнсатары ствараюць страты пры пераключэнні ў прыладзе, таму што яны зараджаюцца пры кожным пераключэнні. Такім чынам, хуткасць пераключэння MOSFET зніжаецца, і эфектыўнасць прылады таксама зніжаецца. Каб разлічыць агульныя страты ў прыладзе падчас пераключэння, распрацоўшчык павінен разлічыць страты падчас уключэння (Eon) і страты падчас выключэння (Eoff). Агульная магутнасць перамыкача MOSFET можа быць выражана наступным ураўненнем: Psw=(Eon+Eoff)×частата пераключэння. Найбольшы ўплыў на прадукцыйнасць пераключэння аказвае зарад затвора (Qgd). Зыходзячы з важнасці прадукцыйнасці пераключэння, пастаянна распрацоўваюцца новыя тэхналогіі для вырашэння гэтай праблемы пераключэння. Павелічэнне памеру мікрасхемы павялічвае зарад засаўкі; гэта павялічвае памер прылады. Каб паменшыць страты пры пераключэнні, з'явіліся новыя тэхналогіі, такія як акісленне тоўстага дна канала, накіраваныя на зніжэнне зарада засаўкі. Напрыклад, новая тэхналогія SuperFET можа мінімізаваць страты на праводнасць і палепшыць прадукцыйнасць пераключэння за кошт зніжэння RDS(ON) і зарада засаўкі (Qg). Такім чынам, MOSFET могуць спраўляцца з высакахуткаснымі пераходнымі працэсамі напружання (dv/dt) і пераходнымі працэсамі току (di/dt) падчас пераключэння і нават могуць надзейна працаваць на больш высокіх частотах пераключэння.