Силовите полупроводникови устройства се използват широко в промишлеността, потреблението, военните и други области и имат висока стратегическа позиция. Нека да разгледаме цялостната картина на захранващите устройства от снимка:
Силовите полупроводникови устройства могат да бъдат разделени на пълен тип, полуконтролиран тип и неконтролируем тип според степента на управление на сигналите на веригата. Или според свойствата на сигнала на управляващата верига, тя може да бъде разделена на тип, управляван от напрежение, тип, управляван от ток, и т.н.
| Класификация | тип | Специфични силови полупроводникови устройства |
| Управляемост на електрически сигнали | Полуконтролиран тип | SCR |
| Пълен контрол | GTO、GTR，MOSFET、IGBT | |
| Неконтролируема | Захранващ диод | |
| Свойства на управляващия сигнал | Тип, управляван от напрежение | IGBT、MOSFET、SITH |
| Текущ задвижван тип | SCR、GTO、GTR | |
| Ефективна форма на вълната на сигнала | Импулсен тип тригер | SCR、GTO |
| Електронен тип управление | GTR、MOSFET、IGBT | |
| Ситуации, в които участват електрони с ток | биполярно устройство | Захранващ диод、SCR、GTO、GTR、BSIT、BJT |
| Униполярно устройство | MOSFET、SIT | |
| Композитно устройство | MCT, IGBT, SITH и IGCT |
Различните силови полупроводникови устройства имат различни характеристики като напрежение, токов капацитет, импедансна способност и размер. При реална употреба трябва да се изберат подходящи устройства според различни области и нужди.
Полупроводниковата индустрия е преминала през три поколения материални промени от раждането си. Досега първият полупроводников материал, представен от Si, все още се използва главно в областта на силовите полупроводникови устройства.
| Полупроводников материал | Bandgap (eV) | Точка на топене (K) | основно приложение | |
| Първо поколение полупроводникови материали | Ge | 1.1 | 1221 | Нисковолтови, нискочестотни, средномощни транзистори, фотодетектори |
| 2-ро поколение полупроводникови материали | Si | 0,7 | 1687 г | |
| 3-то поколение полупроводникови материали | GaAs | 1.4 | 1511 | Микровълнови, милиметрови вълнови устройства, светоизлъчващи устройства |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Високотемпературни, високочестотни, радиационно устойчиви мощни устройства 2. Сини, клас, виолетови диоди, излъчващи светлина, полупроводникови лазери | |
| GaN | 3.4 | 1973 г | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | >3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Обобщете характеристиките на полуконтролирани и напълно контролирани захранващи устройства:
| Тип устройство | SCR | ГТП | MOSFET | IGBT |
| Тип контрол | Пулсов тригер | Текущ контрол | контрол на напрежението | филмов център |
| линия за самоизключване | Изключване на комутацията | устройство за самоизключване | устройство за самоизключване | устройство за самоизключване |
| работна честота | <1khz | <30khz | 20khz-Mhz | <40khz |
| Задвижваща мощност | малък | голям | малък | малък |
| загуби при превключване | голям | голям | голям | голям |
| загуба на проводимост | малък | малък | голям | малък |
| Ниво на напрежение и ток | 最大 | голям | минимум | повече |
| Типични приложения | Средночестотно индукционно нагряване | UPS честотен преобразувател | импулсно захранване | UPS честотен преобразувател |
| цена | най-нисък | по-ниско | в средата | Най-скъпият |
| ефект на модулация на проводимостта | имат | имат | няма | имат |
Запознайте се с MOSFET
MOSFET има висок входен импеданс, нисък шум и добра термична стабилност; има прост производствен процес и силно излъчване, така че обикновено се използва в усилвателни вериги или превключващи вериги;
(1) Основни параметри за избор: напрежение дрейн-източник VDS (издържано напрежение), ID непрекъснат ток на утечка, RDS(on) on-resistance, Ciss входен капацитет (капацитет на преход), качествен фактор FOM=Ron*Qg и др.
(2) Според различни процеси, той е разделен на TrenchMOS: изкоп MOSFET, главно в полето с ниско напрежение в рамките на 100V; SGT (Split Gate) MOSFET: MOSFET с разделен порт, главно в полето на средно и ниско напрежение в рамките на 200V; SJ MOSFET: super junction MOSFET, главно в областта на високо напрежение 600-800V;
В импулсно захранване, като верига с отворен дренаж, дренажът е свързан към непокътнатия товар, което се нарича отворен дренаж. Във верига с отворен дренаж, без значение колко високо напрежение е свързан товарът, товарният ток може да се включва и изключва. Това е идеално аналогово превключващо устройство. Това е принципът на MOSFET като превключващо устройство.
По отношение на пазарния дял, почти всички MOSFET са концентрирани в ръцете на големи международни производители. Сред тях Infineon придоби IR (American International Rectifier Company) през 2015 г. и стана лидер в индустрията. ON Semiconductor също завърши придобиването на Fairchild Semiconductor през септември 2016 г., пазарният дял скочи до второ място, а след това класацията на продажбите беше Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna и др.;
Основните марки MOSFET са разделени на няколко серии: американски, японски и корейски.
Американски серии: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS и др.;
Японски: Toshiba, Renesas, ROHM и др.;
Корейски серии: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
MOSFET пакетни категории
Според начина, по който се монтира на печатната платка, има два основни вида MOSFET пакети: plug-in (Through Hole) и повърхностен монтаж (Surface Mount).
Типът plug-in означава, че щифтовете на MOSFET преминават през монтажните отвори на печатната платка и са заварени към печатната платка. Общите пакети с добавки включват: двоен редов пакет (DIP), транзисторен пакет (TO) и пакет с щифтова мрежа (PGA).
Plug-in опаковка
Повърхностният монтаж е мястото, където MOSFET щифтовете и фланецът за разсейване на топлината са заварени към подложките на повърхността на печатната платка. Типичните пакети за повърхностен монтаж включват: контур на транзистор (D-PAK), транзистор с малък контур (SOT), пакет с малък контур (SOP), четириъгълен плосък пакет (QFP), пластмасов носител за чипове (PLCC) и др.
пакет за повърхностен монтаж
С развитието на технологиите платките за печатни платки като дънни платки и графични карти в момента използват все по-малко и по-малко директни опаковки с плъгини и се използват повече опаковки за повърхностен монтаж.
1. Двоен редов пакет (DIP)
DIP пакетът има два реда щифтове и трябва да се постави в гнездо за чип с DIP структура. Неговият метод за извличане е SDIP (Shrink DIP), който е свиващ двоен редов пакет. Плътността на щифта е 6 пъти по-висока от тази на DIP.
Формите на структурата на DIP опаковката включват: многослойна керамична двойна линия DIP, еднослойна керамична двойна линия DIP, оловна рамка DIP (включително стъклокерамичен тип запечатване, тип пластмасова капсулирана структура, керамично капсулиране с ниско топимо стъкло тип) и т.н. Характеристиката на DIP опаковката е, че тя може лесно да реализира заваряване през отвори на печатни платки и има добра съвместимост с дънната платка.
Въпреки това, тъй като неговата площ и дебелина на опаковката са относително големи и щифтовете лесно се повреждат по време на процеса на включване и изваждане, надеждността е лоша. В същото време, поради влиянието на процеса, броят на щифтовете обикновено не надвишава 100. Следователно, в процеса на висока интеграция на електронната индустрия, DIP опаковката постепенно се оттегли от сцената на историята.
2. Контурен пакет на транзистора (TO)
Ранните спецификации на опаковките, като TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 и т.н., са дизайни на опаковки с добавки.
TO-3P/247: Това е често използвана форма на опаковка за MOSFET транзистори със средно високо напрежение и висок ток. Продуктът има характеристиките на високо издържащо напрежение и силна устойчивост на разрушаване.
TO-220/220F: TO-220F е изцяло пластмасова опаковка и не е необходимо да се добавя изолираща подложка при монтаж на радиатор; TO-220 има метален лист, свързан към средния щифт, и е необходима изолационна подложка при монтаж на радиатора. MOSFET-ите на тези два вида пакети имат подобен външен вид и могат да се използват взаимозаменяемо.
TO-251: Този пакетиран продукт се използва главно за намаляване на разходите и намаляване на размера на продукта. Използва се главно в среда със средно напрежение и висок ток под 60A и високо напрежение под 7N.
TO-92: Този пакет се използва само за MOSFET с ниско напрежение (ток под 10A, издържано напрежение под 60V) и 1N60/65 с високо напрежение, за да се намалят разходите.
През последните години, поради високите разходи за заваряване на процеса на опаковане с добавки и по-лошото разсейване на топлината в сравнение с продуктите от тип пластир, търсенето на пазара за повърхностен монтаж продължи да нараства, което също доведе до разработването на TO опаковки в опаковка за повърхностен монтаж.
И двата TO-252 (наричан още D-PAK) и TO-263 (D2PAK) са пакети за повърхностен монтаж.。
Външен вид на опаковката на продукта
TO252/D-PAK е пластмасов пакет за чипове, който обикновено се използва за опаковане на силови транзистори и чипове за стабилизиране на напрежението. Това е един от текущите основни пакети. MOSFET, използващ този метод на опаковане, има три електрода, порта (G), дренаж (D) и източник (S). Дренажният (D) щифт е отрязан и не се използва. Вместо това радиаторът на гърба се използва като дренаж (D), който е директно заварен към печатната платка. От една страна, той се използва за извеждане на големи токове, а от друга страна, той разсейва топлината през печатната платка. Следователно има три D-PAK подложки на печатната платка, а дренажната (D) подложка е по-голяма. Спецификациите на опаковката му са както следва:
Спецификации на размера на опаковката TO-252/D-PAK
TO-263 е вариант на TO-220. Той е предназначен главно за подобряване на производствената ефективност и разсейването на топлината. Поддържа изключително висок ток и напрежение. Среща се по-често при високотокови MOSFET със средно напрежение под 150A и над 30V. В допълнение към D2PAK (TO-263AB), той също така включва TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 и други стилове, които са подчинени на TO-263, главно поради различния брой и разстояние на щифтовете .
Спецификация на размера на опаковката TO-263/D2PAKs
3. Пакет за фиксиране на мрежови масиви (PGA)
Вътре и извън PGA (Pin Grid Array Package) чипа има множество квадратни щифтове. Всеки квадратен щифт е разположен на определено разстояние около чипа. В зависимост от броя на карфиците може да се оформи от 2 до 5 кръга. По време на инсталацията просто поставете чипа в специалното PGA гнездо. Той има предимствата на лесно включване и изключване и висока надеждност и може да се адаптира към по-високи честоти.
Стил на пакет PGA
Повечето от субстратите за чипове са направени от керамичен материал, а някои използват специална пластмасова смола като субстрат. От гледна точка на технологията централното разстояние на щифта обикновено е 2,54 mm, а броят на щифтовете варира от 64 до 447. Характеристиката на този вид опаковка е, че колкото по-малка е площта на опаковката (обем), толкова по-ниска е консумацията на енергия (производителност ) може да издържи и обратно. Този стил на опаковане на чипове беше по-често срещан в ранните дни и се използваше най-вече за опаковане на продукти с висока консумация на енергия, като процесори. Например 80486 и Pentium на Intel използват този стил на опаковане; той не е широко възприет от производителите на MOSFET.
4. Малък контурен транзисторен пакет (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) е малък мощен транзисторен пакет тип кръпка, включващ главно SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (т.е. SOT23-5) и т.н. SOT323, SOT363/SOT26 (т.е. SOT23-6) и други типове са извлечени, които са по-малки по размер от TO пакетите.
Тип пакет СОТ
SOT23 е често използван транзисторен пакет с три щифта с форма на крило, а именно колектор, емитер и основа, които са посочени от двете страни на дългата страна на компонента. Сред тях емитерът и основата са от една и съща страна. Те са често срещани в транзистори с ниска мощност, полеви транзистори и композитни транзистори с резисторни мрежи. Имат добра якост, но слаба спояемост. Външният вид е показан на фигура (a) по-долу.
SOT89 има три къси извода, разпределени от едната страна на транзистора. Другата страна е метален радиатор, свързан към основата, за да се увеличи способността за разсейване на топлината. Той е често срещан в силициевите транзистори за повърхностен монтаж и е подходящ за приложения с по-висока мощност. Външният вид е показан на фигура (b) по-долу.
SOT143 има четири къси щифта във формата на крило, които се извеждат от двете страни. По-широкият край на щифта е колекторът. Този тип пакет е често срещан във високочестотните транзистори и външният му вид е показан на фигура (c) по-долу.
SOT252 е мощен транзистор с три извода, водещи от едната страна, като средният извод е по-къс и е колекторния. Свържете се към по-големия щифт в другия край, който е меден лист за разсейване на топлината и външният му вид е както е показано на фигура (d) по-долу.
Сравнение на общия вид на SOT пакета
MOSFET с четири терминала SOT-89 обикновено се използва на дънни платки. Неговите спецификации и размери са както следва:
Спецификации на размера на MOSFET SOT-89 (единица: mm)
5. Малък планов пакет (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) е един от пакетите за повърхностен монтаж, наричан още SOL или DFP. Щифтовете са изтеглени от двете страни на опаковката във формата на крило на чайка (L форма). Материалите са пластмаса и керамика. Стандартите за опаковане на SOP включват SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 и т.н. Числото след SOP показва броя на щифтовете. Повечето MOSFET SOP пакети приемат спецификациите SOP-8. Индустрията често пропуска "P" и го съкращава като SO (Small Out-Line).
Размер на опаковката SOP-8
SO-8 е разработен за първи път от PHILIP Company. Той е опакован в пластмаса, няма долна плоча за разсейване на топлината и има лошо разсейване на топлината. Обикновено се използва за MOSFET с ниска мощност. По-късно постепенно бяха изведени стандартни спецификации като TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) и др.; сред тях TSOP и TSSOP обикновено се използват в опаковката на MOSFET.
Спецификации, извлечени от SOP, обикновено използвани за MOSFET
6. Quad Flat Package (QFP)
Разстоянието между щифтовете на чипа в пакета QFP (Plastic Quad Flat Package) е много малко и щифтовете са много тънки. Обикновено се използва в широкомащабни или свръхголеми интегрални схеми и броят на изводите обикновено е повече от 100. Чиповете, пакетирани в тази форма, трябва да използват SMT технология за повърхностен монтаж, за да запоят чипа към дънната платка. Този метод на опаковане има четири основни характеристики: ① Подходящ е за SMD технология за повърхностен монтаж за инсталиране на окабеляване върху печатни платки; ② Подходящ е за високочестотна употреба; ③ Лесен е за работа и има висока надеждност; ④ Съотношението между площта на чипа и площта на опаковката е малко. Подобно на метода на опаковане PGA, този метод на опаковане обвива чипа в пластмасова опаковка и не може да разсее топлината, генерирана, когато чипът работи своевременно. Ограничава подобряването на производителността на MOSFET; а самата пластмасова опаковка увеличава размера на устройството, което не отговаря на изискванията за развитие на полупроводниците в посока да бъдат леки, тънки, къси и малки. В допълнение, този тип метод на опаковане се основава на един чип, който има проблеми с ниската производствена ефективност и високите разходи за опаковане. Следователно QFP е по-подходящ за използване в цифрови логически LSI вериги като микропроцесори/матрици с гейтове и също така е подходящ за опаковане на аналогови LSI вериги като обработка на VTR сигнал и обработка на аудио сигнал.
7、Четвъртен плосък пакет без кабели (QFN)
Пакетът QFN (Quad Flat Non-leaded package) е оборудван с електродни контакти от четирите страни. Тъй като няма кабели, монтажната площ е по-малка от QFP и височината е по-ниска от QFP. Сред тях керамичният QFN се нарича още LCC (Leadless Chip Carriers), а евтиният пластмасов QFN, използващ основен материал, отпечатан със стъклена епоксидна смола, се нарича пластмасов LCC, PCLC, P-LCC и т.н. Това е нововъзникваща опаковка за чипове за повърхностен монтаж технология с малък размер на подложката, малък обем и пластмаса като уплътнителен материал. QFN се използва главно за пакетиране на интегрални схеми и MOSFET няма да се използва. Въпреки това, тъй като Intel предложи интегриран драйвер и MOSFET решение, той пусна DrMOS в пакет QFN-56 ("56" се отнася до 56-те свързващи пина на гърба на чипа).
Трябва да се отбележи, че пакетът QFN има същата конфигурация на външен проводник като пакета с ултратънък малък контур (TSSOP), но неговият размер е 62% по-малък от TSSOP. Според данните от моделирането на QFN неговата топлинна производителност е с 55% по-висока от тази на опаковката TSSOP, а електрическата й производителност (индуктивност и капацитет) е съответно с 60% и 30% по-висока от тази на опаковката TSSOP. Най-големият недостатък е, че се ремонтира трудно.
DrMOS в пакет QFN-56
Традиционните дискретни DC/DC понижаващи превключващи захранвания не могат да отговорят на изискванията за по-висока плътност на мощността, нито могат да решат проблема с паразитните ефекти на параметрите при високи честоти на превключване. С иновациите и напредъка на технологиите стана реалност интегрирането на драйвери и MOSFET за изграждане на многочипови модули. Този метод на интегриране може да спести значително място и да увеличи плътността на потреблението на енергия. Чрез оптимизирането на драйвери и MOSFETs, това се превърна в реалност. Енергийна ефективност и висококачествен постоянен ток, това е DrMOS интегриран драйвер IC.
Renesas 2-ро поколение DrMOS
Безпроводният пакет QFN-56 прави термичния импеданс на DrMOS много нисък; с вътрешно свързване на проводници и дизайн на медна скоба, външното окабеляване на печатни платки може да бъде сведено до минимум, като по този начин се намалява индуктивността и съпротивлението. В допълнение, използваният дълбокканален силициев MOSFET процес също може значително да намали проводимостта, превключването и загубите на заряд на затвора; той е съвместим с различни контролери, може да постигне различни режими на работа и поддържа режим на активно фазово преобразуване APS (автоматично превключване на фазите). В допълнение към QFN опаковката, двустранната плоска безоловна опаковка (DFN) също е нов процес на електронно опаковане, който се използва широко в различни компоненти на ON Semiconductor. В сравнение с QFN, DFN има по-малко извеждащи електроди от двете страни.
8、Пластмасов оловен носител за чипове (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) има квадратна форма и е много по-малък от DIP пакета. Има 32 щифта с щифтове навсякъде. Щифтовете се извеждат от четирите страни на опаковката в Т-образна форма. Това е пластмасов продукт. Централното разстояние на щифта е 1,27 mm, а броят на щифтовете варира от 18 до 84. J-образните щифтове не се деформират лесно и са по-лесни за работа от QFP, но проверката на външния вид след заваряване е по-трудна. Опаковката PLCC е подходяща за инсталиране на окабеляване върху PCB с помощта на SMT технология за повърхностен монтаж. Има предимствата на малък размер и висока надеждност. PLCC опаковката е сравнително често срещана и се използва в логически LSI, DLD (или програмно логическо устройство) и други схеми. Тази форма на опаковка често се използва в BIOS на дънната платка, но в момента е по-рядко срещана в MOSFET.
Капсулиране и подобрение за основните предприятия
Поради тенденцията на развитие на ниско напрежение и висок ток в процесорите, MOSFETs трябва да имат голям изходен ток, ниско съпротивление при включване, ниско генериране на топлина, бързо разсейване на топлината и малък размер. В допълнение към подобряването на технологията и процесите за производство на чипове, производителите на MOSFET също продължават да подобряват технологията за опаковане. Въз основа на съвместимостта със стандартните спецификации за външен вид, те предлагат нови форми на опаковки и регистрират имена на търговски марки за новите опаковки, които разработват.
1、RENESAS WPAK, LFPAK и LFPAK-I пакети
WPAK е пакет с високо топлинно излъчване, разработен от Renesas. Чрез имитиране на пакета D-PAK радиаторът на чипа е заварен към дънната платка и топлината се разсейва през дънната платка, така че малкият пакет WPAK да може също да достигне изходния ток на D-PAK. WPAK-D2 включва два високо/ниско MOSFET за намаляване на индуктивността на окабеляването.
Размер на пакета Renesas WPAK
LFPAK и LFPAK-I са два други пакета с малък форм-фактор, разработени от Renesas, които са съвместими със SO-8. LFPAK е подобен на D-PAK, но по-малък от D-PAK. LFPAK-i поставя радиатора нагоре, за да разсейва топлината през радиатора.
Пакети Renesas LFPAK и LFPAK-I
2. Опаковка Vishay Power-PAK и Polar-PAK
Power-PAK е името на MOSFET пакета, регистрирано от Vishay Corporation. Power-PAK включва две спецификации: Power-PAK1212-8 и Power-PAK SO-8.
Пакет Vishay Power-PAK1212-8
Пакет Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK е малка опаковка с двустранно разсейване на топлината и е една от основните технологии за опаковане на Vishay. Polar PAK е същият като обикновения so-8 пакет. Има точки на разсейване както от горната, така и от долната страна на опаковката. Не е лесно да се натрупа топлина вътре в опаковката и може да увеличи плътността на работния ток до два пъти по-голяма от тази на SO-8. В момента Vishay е лицензирала технологията Polar PAK на STMicroelectronics.
Пакет Vishay Polar PAK
3. Onsemi SO-8 и WDFN8 плоски оловни пакети
ON Semiconductor разработи два типа MOSFET с плосък извод, сред които SO-8 съвместимите с плосък извод се използват от много платки. Наскоро пуснатите NVMx и NVTx мощни MOSFET на ON Semiconductor използват компактни пакети DFN5 (SO-8FL) и WDFN8 за минимизиране на загубите на проводимост. Той също така разполага с ниска QG и капацитет за минимизиране на загубите на драйвера.
ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package
Пакет ON Semiconductor WDFN8
4. Опаковка NXP LFPAK и QLPAK
NXP (бивш Philps) подобри технологията за опаковане SO-8 в LFPAK и QLPAK. Сред тях, LFPAK се счита за най-надеждната мощност SO-8 пакет в света; докато QLPAK има характеристиките на малък размер и по-висока ефективност на разсейване на топлината. В сравнение с обикновения SO-8, QLPAK заема площ от печатна платка от 6*5 мм и има термично съпротивление от 1,5 k/W.
Пакет NXP LFPAK
Опаковка NXP QLPAK
4. Пакет ST Semiconductor PowerSO-8
Технологиите за опаковане на мощни MOSFET чипове на STMicroelectronics включват SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK и др. Сред тях Power SO-8 е подобрена версия на SO-8. Освен това има пакети PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 и други.
Пакет STMicroelectronics Power SO-8
5. Пакет Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 е ексклузивното име на Farichild, а официалното му име е DFN5×6. Площта на опаковката му е сравнима с тази на често използвания TSOP-8, а тънката опаковка спестява хлабината на компонентите, а дизайнът Thermal-Pad в долната част намалява термичното съпротивление. Поради това много производители на захранващи устройства са разположили DFN5×6.
Пакет Fairchild Power 56
6. International Rectifier (IR) Direct FET пакет
Direct FET осигурява ефективно горно охлаждане в SO-8 или по-малък отпечатък и е подходящ за приложения за преобразуване на захранване AC-DC и DC-DC в компютри, лаптопи, телекомуникационно и потребителско електроникно оборудване. Конструкцията на металната кутия на DirectFET осигурява двустранно разсейване на топлината, като ефективно удвоява възможностите за работа с ток на високочестотните DC-DC преобразуватели в сравнение със стандартните пластмасови дискретни пакети. Пакетът Direct FET е обратно монтиран тип, с дренажен (D) радиатор, обърнат нагоре и покрит с метална обвивка, през която се разсейва топлината. Директната FET опаковка значително подобрява разсейването на топлината и заема по-малко място с добро разсейване на топлината.
Обобщете
В бъдеще, тъй като индустрията за производство на електроника продължава да се развива в посока на ултратънки, миниатюризация, ниско напрежение и висок ток, външният вид и вътрешната структура на опаковката на MOSFET също ще се променят, за да се адаптират по-добре към нуждите за развитие на производството. индустрия. Освен това, за да се намали прагът за избор за производителите на електроника, тенденцията на развитие на MOSFET в посока на модулиране и опаковане на системно ниво ще става все по-очевидна и продуктите ще се развиват по координиран начин от множество измерения като производителност и цена . Пакетът е един от важните референтни фактори за избор на MOSFET. Различните електронни продукти имат различни електрически изисквания, а различните инсталационни среди също изискват съвпадение на спецификациите за размер, за да бъдат изпълнени. При действителния подбор решението трябва да се вземе според действителните нужди съгласно общия принцип. Някои електронни системи са ограничени от размера на печатната платка и вътрешната височина. Например, модулните захранвания на комуникационните системи обикновено използват пакети DFN5*6 и DFN3*3 поради ограничения във височината; в някои ACDC захранвания ултратънките дизайни или поради ограниченията на корпуса са подходящи за сглобяване на MOSFET транзистори с мощност TO220. По това време щифтовете могат да бъдат директно поставени в корена, което не е подходящо за опаковани продукти TO247; някои ултратънки дизайни изискват щифтовете на устройството да бъдат огънати и поставени плоски, което ще увеличи сложността на избора на MOSFET.
Как да изберем MOSFET
Веднъж един инженер ми каза, че никога не е поглеждал първата страница на листа с данни на MOSFET, защото „практическата“ информация се появява само на втората страница и след това. На практика всяка страница от листа с данни на MOSFET съдържа ценна информация за дизайнерите. Но не винаги е ясно как да се интерпретират данните, предоставени от производителите.
Тази статия очертава някои от ключовите спецификации на MOSFET, как са посочени в листа с данни и ясната картина, от която се нуждаете, за да ги разберете. Както повечето електронни устройства, MOSFET се влияят от работната температура. Затова е важно да се разберат условията на изпитване, при които се прилагат споменатите индикатори. Също така е от решаващо значение да разберете дали индикаторите, които виждате в „Представяне на продукта“, са „максимални“ или „типични“ стойности, тъй като някои информационни листове не го правят ясно.
Степен на напрежение
Основната характеристика, която определя MOSFET, е неговото напрежение дрейн-източник VDS, или „напрежение на пробив дрейн-източник“, което е най-високото напрежение, което MOSFET може да издържи без повреда, когато гейтът е късо към източника и токът на изтичане е 250μA. . VDS се нарича още "абсолютно максимално напрежение при 25°C", но е важно да запомните, че това абсолютно напрежение зависи от температурата и обикновено има "VDS температурен коефициент" в информационния лист. Трябва също така да разберете, че максималното VDS е постояннотоковото напрежение плюс всякакви пикове и вълни на напрежението, които може да присъстват във веригата. Например, ако използвате устройство от 30 V на захранване от 30 V с пик от 100 mV, 5 ns, напрежението ще надвиши абсолютната максимална граница на устройството и устройството може да влезе в лавинен режим. В този случай не може да се гарантира надеждността на MOSFET. При високи температури температурният коефициент може значително да промени напрежението на пробив. Например, някои N-канални MOSFET с номинално напрежение 600V имат положителен температурен коефициент. Когато се доближат до максималната си температура на свързване, температурният коефициент кара тези MOSFET да се държат като 650V MOSFET. Много правила за дизайн на потребителите на MOSFET изискват коефициент на понижаване от 10% до 20%. При някои проекти, като се има предвид, че действителното напрежение на пробив е с 5% до 10% по-високо от номиналната стойност при 25°C, съответният полезен проектен марж ще бъде добавен към действителния дизайн, което е много полезно за дизайна. Също толкова важно за правилния избор на MOSFET е разбирането на ролята на напрежението порта-източник VGS по време на процеса на проводимост. Това напрежение е напрежението, което осигурява пълна проводимост на MOSFET при дадено максимално RDS (включено) състояние. Ето защо съпротивлението при включване винаги е свързано с нивото на VGS и само при това напрежение устройството може да бъде включено. Важна последица от дизайна е, че не можете да включите MOSFET напълно с напрежение, по-ниско от минималното VGS, използвано за постигане на RDS(on) рейтинг. Например, за да управлявате напълно MOSFET с 3,3 V микроконтролер, трябва да можете да включите MOSFET на VGS=2,5 V или по-ниско.
Съпротивление, заряд на вратата и "фигура на достойнство"
Съпротивлението при включване на MOSFET винаги се определя при едно или повече напрежения от врата към източник. Максималната граница на RDS(on) може да бъде с 20% до 50% по-висока от типичната стойност. Максималната граница на RDS(on) обикновено се отнася до стойността при температура на свързване от 25°C. При по-високи температури RDS(on) може да се увеличи с 30% до 150%, както е показано на фигура 1. Тъй като RDS(on) се променя с температурата и минималната стойност на съпротивлението не може да бъде гарантирана, откриването на ток въз основа на RDS(on) не е много точен метод.
Фигура 1 RDS(on) се увеличава с температура в диапазона от 30% до 150% от максималната работна температура
Съпротивлението при включване е много важно както за N-каналните, така и за P-каналните MOSFET транзистори. В импулсните захранвания Qg е ключов критерий за избор на N-канални MOSFET, използвани в импулсни захранвания, тъй като Qg влияе върху загубите при превключване. Тези загуби имат два ефекта: единият е времето за превключване, което влияе върху включването и изключването на MOSFET; другата е енергията, необходима за зареждане на капацитета на гейта по време на всеки процес на превключване. Едно нещо, което трябва да имате предвид е, че Qg зависи от напрежението порта-източник, дори ако използването на по-ниско Vgs намалява загубите при превключване. Като бърз начин за сравняване на MOSFET, предназначени за използване в комутационни приложения, дизайнерите често използват единствена формула, състояща се от RDS(on) за загуби на проводимост и Qg за комутационни загуби: RDS(on)xQg. Тази "фигура на достойнство" (FOM) обобщава производителността на устройството и позволява MOSFET да бъдат сравнени по отношение на типични или максимални стойности. За да осигурите точно сравнение между устройствата, трябва да се уверите, че един и същ VGS се използва за RDS(on) и Qg и че типичните и максималните стойности не се смесват заедно в публикацията. По-ниският FOM ще ви даде по-добра производителност при превключване на приложения, но не е гарантирано. Най-добрите резултати за сравнение могат да бъдат получени само в действителна верига и в някои случаи може да се наложи веригата да бъде фино настроена за всеки MOSFET. Номинален ток и разсейване на мощността, въз основа на различни условия на изпитване, повечето MOSFET имат един или повече непрекъснати токове на изтичане в информационния лист. Добре е да разгледате внимателно листа с данни, за да разберете дали рейтингът е при определената температура на кутията (напр. TC=25°C) или температура на околната среда (напр. TA=25°C). Коя от тези стойности е най-подходяща ще зависи от характеристиките на устройството и приложението (вижте Фигура 2).
Фигура 2 Всички стойности на абсолютен максимален ток и мощност са реални данни
За малки устройства за повърхностен монтаж, използвани в преносими устройства, най-подходящото ниво на ток може да бъде това при околна температура от 70°C. За голямо оборудване с радиатори и принудително въздушно охлаждане текущото ниво при TA=25 ℃ може да е по-близо до действителната ситуация. За някои устройства матрицата може да поеме повече ток при максималната си температура на свързване от ограниченията на опаковката. В някои информационни листове това "ограничено от матрицата" ниво на ток е допълнителна информация към "ограниченото от пакет" ниво на ток, което може да ви даде представа за здравината на матрицата. Подобни съображения важат за непрекъснатото разсейване на мощността, което зависи не само от температурата, но и от времето. Представете си устройство, работещо непрекъснато при PD=4W за 10 секунди при TA=70 ℃. Това, което представлява "непрекъснат" период от време, ще варира в зависимост от MOSFET пакета, така че ще искате да използвате графиката на нормализирания топлинен преходен импеданс от листа с данни, за да видите как изглежда разсейването на мощността след 10 секунди, 100 секунди или 10 минути . Както е показано на фигура 3, коефициентът на термично съпротивление на това специализирано устройство след 10-секунден импулс е приблизително 0,33, което означава, че след като опаковката достигне термично насищане след приблизително 10 минути, капацитетът на разсейване на топлината на устройството е само 1,33 W вместо 4 W . Въпреки че капацитетът на разсейване на топлината на устройството може да достигне около 2W при добро охлаждане.
Фигура 3 Термично съпротивление на MOSFET при прилагане на захранващ импулс
Всъщност можем да разделим как да изберем MOSFET на четири стъпки.
Първата стъпка: изберете N канал или P канал
Първата стъпка при избора на правилното устройство за вашия дизайн е да решите дали да използвате N-канален или P-канален MOSFET. В типично захранващо приложение, когато MOSFET е свързан към земята и товарът е свързан към мрежовото напрежение, MOSFET формира превключвателя на ниската страна. В превключвателя с ниска страна трябва да се използват N-канални MOSFET поради съображения за напрежението, необходимо за изключване или включване на устройството. Когато MOSFET е свързан към шината и товар към земята, се използва превключвател от висока страна. P-каналните MOSFET обикновено се използват в тази топология, което също се дължи на съображения за напрежение. За да изберете правилното устройство за вашето приложение, трябва да определите напрежението, необходимо за задвижване на устройството, и най-лесния начин да го направите във вашия дизайн. Следващата стъпка е да се определи необходимото напрежение или максималното напрежение, което устройството може да издържи. Колкото по-високо е напрежението, толкова по-висока е цената на устройството. Според практическия опит, номиналното напрежение трябва да бъде по-голямо от мрежовото напрежение или напрежението на шината. Това ще осигури достатъчна защита, така че MOSFET да не се повреди. При избора на MOSFET е необходимо да се определи максималното напрежение, което може да се толерира от изтичането към източника, тоест максималното VDS. Важно е да знаете, че максималното напрежение, което MOSFET може да издържи на промени с температура. Проектантите трябва да тестват вариациите на напрежението в целия работен температурен диапазон. Номиналното напрежение трябва да има достатъчна граница, за да покрие този диапазон на вариация, за да се гарантира, че веригата няма да се повреди. Други фактори за безопасност, които проектантите трябва да вземат предвид, включват преходни процеси на напрежението, предизвикани от превключваща електроника като двигатели или трансформатори. Номиналните напрежения варират за различните приложения; обикновено 20V за преносими устройства, 20-30V за FPGA захранвания и 450-600V за 85-220VAC приложения.
Стъпка 2: Определете номиналния ток
Втората стъпка е да изберете текущия рейтинг на MOSFET. В зависимост от конфигурацията на веригата, този номинален ток трябва да бъде максималният ток, който товарът може да издържи при всякакви обстоятелства. Подобно на ситуацията с напрежението, дизайнерът трябва да гарантира, че избраният MOSFET може да издържи на този номинален ток, дори когато системата генерира токови пикове. Двете разглеждани текущи състояния са непрекъснат режим и импулсен пик. В режим на непрекъсната проводимост MOSFET е в стабилно състояние, където токът тече непрекъснато през устройството. Импулсният скок се отнася до голям скок (или пиков ток), протичащ през устройството. След като се определи максималният ток при тези условия, става въпрос просто за избор на устройство, което може да се справи с този максимален ток. След избора на номиналния ток трябва да се изчисли и загубата на проводимост. В действителни ситуации MOSFET не е идеално устройство, тъй като има загуба на електрическа енергия по време на процеса на проводимост, което се нарича загуба на проводимост. MOSFET се държи като променлив резистор, когато е "включен", което се определя от RDS(ON) на устройството и се променя значително с температурата. Загубата на мощност на устройството може да се изчисли чрез Iload2×RDS(ON). Тъй като съпротивлението при включване се променя с температурата, загубата на мощност също ще се промени пропорционално. Колкото по-високо е напрежението VGS, приложено към MOSFET, толкова по-малък ще бъде RDS(ON); обратно, толкова по-висок ще бъде RDS(ON). За системния дизайнер това е мястото, където идват компромисите в зависимост от системното напрежение. За преносими дизайни е по-лесно (и по-често) да се използват по-ниски напрежения, докато за промишлени дизайни могат да се използват по-високи напрежения. Имайте предвид, че RDS(ON) съпротивлението ще се повиши леко с течението. Вариациите в различните електрически параметри на резистора RDS(ON) могат да бъдат намерени в техническия лист с данни, предоставен от производителя. Технологията има значително влияние върху характеристиките на устройството, тъй като някои технологии са склонни да увеличават RDS(ON) при увеличаване на максималния VDS. За такава технология, ако възнамерявате да намалите VDS и RDS(ON), трябва да увеличите размера на чипа, като по този начин увеличите съответстващия размер на пакета и свързаните с това разходи за разработка. Има няколко технологии в индустрията, които се опитват да контролират увеличаването на размера на чипа, най-важните от които са технологиите за балансиране на канала и заряда. При траншейната технология, в подложката е вграден дълбок канал, обикновено запазен за ниски напрежения, за да се намали съпротивлението при включване RDS(ON). За да се намали въздействието на максималната VDS върху RDS(ON), по време на процеса на разработване е използван процес на епитаксиална колона за растеж/ецваща колона. Например Fairchild Semiconductor разработи технология, наречена SuperFET, която добавя допълнителни производствени стъпки за намаляване на RDS(ON). Този фокус върху RDS(ON) е важен, тъй като с нарастването на пробивното напрежение на стандартен MOSFET, RDS(ON) нараства експоненциално и води до увеличаване на размера на матрицата. Процесът SuperFET променя експоненциалната връзка между RDS(ON) и размера на пластината в линейна връзка. По този начин SuperFET устройствата могат да постигнат идеално ниска RDS(ON) в малки размери на матрицата, дори при пробивни напрежения до 600V. Резултатът е, че размерът на вафлата може да бъде намален с до 35%. За крайните потребители това означава значително намаляване на размера на опаковката.
Стъпка трета: Определете топлинните изисквания
Следващата стъпка при избора на MOSFET е да се изчислят топлинните изисквания на системата. Дизайнерите трябва да обмислят два различни сценария, най-лошия сценарий и сценария от реалния свят. Препоръчва се да се използва най-лошият резултат от изчислението, тъй като този резултат осигурява по-голям запас на безопасност и гарантира, че системата няма да се повреди. Има и някои измервателни данни, които изискват внимание в информационния лист на MOSFET; като термичното съпротивление между полупроводниковия преход на опакованото устройство и околната среда и максималната температура на прехода. Температурата на прехода на устройството е равна на максималната околна температура плюс произведението на термичното съпротивление и разсейването на мощността (температура на прехода = максималната околна температура + [топлинно съпротивление × разсейване на мощността]). Съгласно това уравнение може да се реши максималното разсейване на мощността на системата, което по дефиниция е равно на I2×RDS(ON). Тъй като дизайнерът е определил максималния ток, който ще премине през устройството, RDS(ON) може да се изчисли при различни температури. Струва си да се отбележи, че когато се занимават с прости термични модели, дизайнерите трябва да вземат предвид и топлинния капацитет на полупроводниковия преход/корпуса на устройството и корпуса/средата; това изисква печатната платка и опаковката да не се нагряват веднага. Лавинен срив означава, че обратното напрежение на полупроводниковото устройство надвишава максималната стойност и образува силно електрическо поле за увеличаване на тока в устройството. Този ток ще разсее мощността, ще повиши температурата на устройството и вероятно ще го повреди. Компаниите за полупроводници ще провеждат лавинообразни тестове на устройства, ще изчисляват лавинообразното им напрежение или ще тестват устойчивостта на устройството. Има два метода за изчисляване на номиналното лавинообразно напрежение; единият е статистически метод, а другият е термично изчисление. Топлинното изчисление се използва широко, тъй като е по-практично. Много компании предоставиха подробности за тестването на своите устройства. Например, Fairchild Semiconductor предоставя "Указания за Power MOSFET Avalanche" (Ръководства за Power MOSFET Avalanche - могат да бъдат изтеглени от уебсайта на Fairchild). В допълнение към изчисленията, технологиите също имат голямо влияние върху ефекта на лавината. Например, увеличаването на размера на матрицата увеличава устойчивостта на лавина и в крайна сметка увеличава здравината на устройството. За крайните потребители това означава използване на по-големи пакети в системата.
Стъпка 4: Определете производителността на превключвателя
Последната стъпка при избора на MOSFET е да се определи производителността на превключване на MOSFET. Има много параметри, които влияят върху производителността на превключването, но най-важните са капацитет гейт/дрейн, гейт/източник и дрейн/източник. Тези кондензатори създават загуби при превключване в устройството, тъй като се зареждат при всяко превключване. Следователно скоростта на превключване на MOSFET е намалена и ефективността на устройството също е намалена. За да изчисли общите загуби в устройството по време на превключване, дизайнерът трябва да изчисли загубите по време на включване (Eon) и загубите по време на изключване (Eoff). Общата мощност на MOSFET превключвателя може да бъде изразена чрез следното уравнение: Psw=(Eon+Eoff)×честота на превключване. Зарядът на затвора (Qgd) има най-голямо влияние върху производителността на превключване. Въз основа на важността на производителността на превключването, непрекъснато се разработват нови технологии за решаване на този проблем с превключването. Увеличаването на размера на чипа увеличава заряда на гейта; това увеличава размера на устройството. За да се намалят загубите при превключване, се появиха нови технологии като оксидиране на дебелото дъно на канала, целящи намаляване на заряда на затвора. Например, новата технология SuperFET може да минимизира загубите на проводимост и да подобри производителността на превключване чрез намаляване на RDS(ON) и заряда на гейта (Qg). По този начин MOSFET могат да се справят с високоскоростни преходни процеси на напрежение (dv/dt) и токови преходни процеси (di/dt) по време на превключване и дори могат да работят надеждно при по-високи честоти на превключване.
Време на публикуване: 23 октомври 2023 г
