Razumeti MOSFET v enem članku

Slika 3 Toplotna upornost MOSFET-a ob uporabi impulza moči

Pravzaprav lahko izbiro MOSFET-a razdelimo na štiri korake.

Prvi korak: izberite N kanal ali P kanal

Prvi korak pri izbiri prave naprave za vaš dizajn je odločitev, ali boste uporabili N-kanalni ali P-kanalni MOSFET. V tipični električni aplikaciji, ko je MOSFET povezan z ozemljitvijo in je obremenitev priključena na omrežno napetost, MOSFET tvori nizkostransko stikalo. V stikalu na nizki strani je treba uporabiti N-kanalne MOSFET-je zaradi upoštevanja napetosti, ki je potrebna za izklop ali vklop naprave. Ko je MOSFET priključen na vodilo in obremenitev na maso, se uporabi stikalo na visoki strani. P-kanalni MOSFET se običajno uporabljajo v tej topologiji, kar je tudi posledica premislekov o napetostnem pogonu. Če želite izbrati pravo napravo za vašo aplikacijo, morate določiti napetost, potrebno za pogon naprave, in najlažji način, da to storite v svoji zasnovi. Naslednji korak je določitev zahtevane nazivne napetosti ali največje napetosti, ki jo naprava lahko prenese. Višja kot je nazivna napetost, višji so stroški naprave. Po praktičnih izkušnjah mora biti nazivna napetost večja od omrežne napetosti ali napetosti vodila. To bo zagotovilo zadostno zaščito, da MOSFET ne bo odpovedal. Pri izbiri MOSFET-a je treba določiti največjo napetost, ki jo lahko prenesemo od odtoka do izvora, to je največjo VDS. Pomembno je vedeti, da lahko MOSFET prenese največjo napetost, ki se spreminja s temperaturo. Načrtovalci morajo preizkusiti spremembe napetosti v celotnem območju delovne temperature. Nazivna napetost mora imeti dovolj rezerve, da pokrije to območje variacije, da se zagotovi, da vezje ne bo odpovedalo. Drugi varnostni dejavniki, ki jih morajo načrtovalci upoštevati, vključujejo prehodne napetosti, ki jih povzroča preklopna elektronika, kot so motorji ali transformatorji. Nazivne napetosti se razlikujejo za različne aplikacije; običajno 20 V za prenosne naprave, 20-30 V za napajalnike FPGA in 450-600 V za aplikacije 85-220 VAC.

2. korak: Določite nazivni tok

Drugi korak je izbira trenutne vrednosti MOSFET-a. Odvisno od konfiguracije vezja mora biti ta nazivni tok največji tok, ki ga obremenitev lahko prenese v vseh okoliščinah. Podobno kot pri napetosti mora načrtovalec zagotoviti, da lahko izbrani MOSFET prenese to nazivno vrednost toka, tudi če sistem ustvarja tokovne konice. Dva upoštevana trenutna stanja sta neprekinjen način in impulzni skok. V načinu neprekinjenega prevoda je MOSFET v stabilnem stanju, kjer tok neprekinjeno teče skozi napravo. Impulzni skok se nanaša na velik val (ali skokovni tok), ki teče skozi napravo. Ko je največji tok pod temi pogoji določen, je preprosto treba izbrati napravo, ki lahko prenese ta največji tok. Po izbiri nazivnega toka je treba izračunati tudi izgubo prevodnosti. V dejanskih situacijah MOSFET ni idealna naprava, ker med procesom prevodnosti prihaja do izgube električne energije, ki se imenuje prevodna izguba. MOSFET se obnaša kot spremenljivi upor, ko je "vklopljen", kar je določeno z RDS(ON) naprave in se znatno spreminja s temperaturo. Izgubo moči naprave je mogoče izračunati z Iload2×RDS(ON). Ker se upor pri vklopu spreminja s temperaturo, se bo sorazmerno spremenila tudi izguba moči. Višja kot je napetost VGS na MOSFET, manjši bo RDS(ON); obratno, višji bo RDS(ON). Za načrtovalca sistema so tukaj kompromisi glede na sistemsko napetost. Za prenosne modele je lažje (in pogosteje) uporabiti nižje napetosti, medtem ko je za industrijske modele mogoče uporabiti višje napetosti. Upoštevajte, da bo upor RDS(ON) rahlo narasel s tokom. Različice različnih električnih parametrov upora RDS(ON) lahko najdete v tehničnem listu, ki ga zagotovi proizvajalec. Tehnologija pomembno vpliva na značilnosti naprave, saj nekatere tehnologije ponavadi povečajo RDS(ON), ko povečajo najvišji VDS. Če nameravate za takšno tehnologijo zmanjšati VDS in RDS(ON), morate povečati velikost čipa, s čimer povečate ustrezno velikost paketa in s tem povezane stroške razvoja. V industriji obstaja več tehnologij, ki poskušajo nadzorovati povečanje velikosti čipov, najpomembnejše med njimi pa so tehnologije za uravnoteženje kanalov in napolnjenosti. Pri tehnologiji jarek je globoka jarka vdelana v rezino, običajno rezervirana za nizke napetosti, da se zmanjša upornost RDS(ON). Da bi zmanjšali vpliv največjega VDS na RDS(ON), je bil med razvojnim procesom uporabljen postopek epitaksialne rastne kolone/jedkalne kolone. Fairchild Semiconductor je na primer razvil tehnologijo, imenovano SuperFET, ki dodaja dodatne proizvodne korake za zmanjšanje RDS(ON). Ta osredotočenost na RDS(ON) je pomembna, ker ko se prelomna napetost standardnega MOSFET-a poveča, se RDS(ON) eksponentno poveča in povzroči povečanje velikosti matrice. Postopek SuperFET spremeni eksponentno razmerje med RDS(ON) in velikostjo rezin v linearno razmerje. Na ta način lahko naprave SuperFET dosežejo idealen nizek RDS(ON) v majhnih velikostih matric, tudi pri prebojnih napetostih do 600 V. Rezultat tega je, da se lahko velikost rezin zmanjša do 35 %. Za končne uporabnike to pomeni znatno zmanjšanje velikosti paketa.

Tretji korak: Določite toplotne zahteve

Naslednji korak pri izbiri MOSFET-a je izračun toplotnih zahtev sistema. Oblikovalci morajo upoštevati dva različna scenarija, najslabši možni scenarij in scenarij resničnega sveta. Priporočljivo je uporabiti najslabši možni rezultat izračuna, ker ta rezultat zagotavlja večjo varnostno rezervo in zagotavlja, da sistem ne bo odpovedal. Na podatkovnem listu MOSFET je tudi nekaj merilnih podatkov, ki jim je treba posvetiti pozornost; kot je toplotni upor med polprevodniškim spojem embalirane naprave in okoljem ter najvišja temperatura spoja. Temperatura stika naprave je enaka najvišji temperaturi okolja plus zmnožek toplotnega upora in odvajanja moči (temperatura stika = najvišja temperatura okolja + [toplotni upor × odvajanje moči]). V skladu s to enačbo je mogoče rešiti največjo disipacijo moči sistema, ki je po definiciji enaka I2×RDS(ON). Ker je načrtovalec določil največji tok, ki bo šel skozi napravo, je RDS(ON) mogoče izračunati pri različnih temperaturah. Treba je omeniti, da morajo načrtovalci pri obravnavi preprostih toplotnih modelov upoštevati tudi toplotno zmogljivost polprevodniškega spoja/ohišja naprave in ohišja/okolja; to zahteva, da se tiskano vezje in paket ne segrejeta takoj. Lavinska razgradnja pomeni, da obratna napetost na polprevodniški napravi preseže največjo vrednost in tvori močno električno polje za povečanje toka v napravi. Ta tok bo razpršil moč, povečal temperaturo naprave in morda poškodoval napravo. Polprevodniška podjetja bodo izvajala lavinska testiranja naprav, izračunala njihovo lavinsko napetost ali preizkusila robustnost naprave. Obstajata dva načina za izračun nazivne lavinske napetosti; ena je statistična metoda, druga pa toplotni izračun. Toplotni izračun se pogosto uporablja, ker je bolj praktičen. Mnoga podjetja so zagotovila podrobnosti o testiranju svojih naprav. Na primer, Fairchild Semiconductor ponuja "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines - lahko prenesete s spletnega mesta Fairchild). Poleg računalništva ima na učinek plazov velik vpliv tudi tehnologija. Na primer, povečanje velikosti matrice poveča odpornost proti plazovom in končno poveča robustnost naprave. Za končne uporabnike to pomeni uporabo večjih paketov v sistemu.

4. korak: Določite zmogljivost stikala

Zadnji korak pri izbiri MOSFET-a je določitev preklopne zmogljivosti MOSFET-a. Obstaja veliko parametrov, ki vplivajo na zmogljivost preklapljanja, najpomembnejši pa so kapacitivnost vrata/odvod, vrata/izvor in odtok/izvor. Ti kondenzatorji povzročajo preklopne izgube v napravi, ker se napolnijo ob vsakem preklopu. Preklopna hitrost MOSFET-a se zato zmanjša, zmanjša pa se tudi učinkovitost naprave. Za izračun skupnih izgub v napravi med preklopom mora projektant izračunati izgube med vklopom (Eon) in izgube med izklopom (Eoff). Skupna moč stikala MOSFET se lahko izrazi z naslednjo enačbo: Psw=(Eon+Eoff)×preklopna frekvenca. Naboj vrat (Qgd) ima največji vpliv na preklopno zmogljivost. Na podlagi pomembnosti preklopne zmogljivosti se nenehno razvijajo nove tehnologije za reševanje tega preklopnega problema. Povečanje velikosti čipa poveča naboj vrat; to poveča velikost naprave. Da bi zmanjšali izgube preklapljanja, so se pojavile nove tehnologije, kot je oksidacija z debelim dnom kanala, katerih cilj je zmanjšati naboj vrat. Na primer, nova tehnologija SuperFET lahko zmanjša izgube prevodnosti in izboljša preklopno zmogljivost z zmanjšanjem RDS(ON) in naboja vrat (Qg). Na ta način se MOSFET-ji lahko spoprimejo s hitrimi napetostnimi prehodi (dv/dt) in tokovnimi prehodi (di/dt) med preklopom in lahko celo zanesljivo delujejo pri višjih preklopnih frekvencah.