Разбираемся с MOSFET в одной статье

Силовые полупроводниковые приборы широко используются в промышленности, потреблении, военной и других областях и занимают высокое стратегическое положение. Давайте посмотрим на общую картину силовых устройств по картинке:

По степени управления сигналами схемы силовые полупроводниковые приборы можно разделить на полнотипные, полууправляемые и неуправляемые. Или в соответствии со свойствами сигнала схемы управления его можно разделить на тип, управляемый напряжением, тип, управляемый током и т. д.

Классификация	тип	Специальные силовые полупроводниковые приборы
Управляемость электрическими сигналами	Полуконтролируемый тип	СКР
	Полный контроль	ГТО, ГТР, МОП-транзистор, IGBT
	Неконтролируемый	Силовой диод
Свойства управляющего сигнала	Тип с управлением по напряжению	БТИЗ, МОП-транзистор, СИТ
Свойства управляющего сигнала	Тип текущего привода	СКР, ГТО, ГТР
Эффективная форма сигнала	Тип импульсного триггера	СКР、ГТО
Эффективная форма сигнала	Тип электронного управления	ГТР, МОП-транзистор, IGBT
Ситуации, в которых участвуют электроны с током	биполярное устройство	Силовой диод, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT
	Униполярное устройство	МОП-транзистор, СИТ
	Композитное устройство	MCT, IGBT, SITH и IGCT

Различные силовые полупроводниковые устройства имеют разные характеристики, такие как напряжение, ток, сопротивление и размер. При фактическом использовании подходящие устройства необходимо выбирать в соответствии с различными областями и потребностями.

Различные характеристики разных силовых полупроводниковых приборов

Полупроводниковая промышленность с момента своего зарождения претерпела три поколения материальных изменений. До сих пор первый полупроводниковый материал, представленный Si, в основном используется в области силовых полупроводниковых приборов.

Полупроводниковый материал		запрещенная зона (эВ)	Точка плавления (К)	основное приложение
Полупроводниковые материалы 1-го поколения	Ge	1.1	1221	Низковольтные, низкочастотные, средней мощности транзисторы, фотодетекторы
Полупроводниковые материалы второго поколения.	Si	0,7	1687 г.
Полупроводниковые материалы третьего поколения	GaAs	1,4	1511	Микроволновые печи, устройства миллиметрового диапазона, светоизлучающие устройства
	Карбид кремния	3.05	2826	1. Высокотемпературные, высокочастотные, радиационно-стойкие мощные устройства. 2. Синие, фиолетовые светодиоды, полупроводниковые лазеры.
	ГаН	3.4	1973 год
	АЙН	6.2	2470
	C	5,5	>3800
	ZnO	3.37	2248

Суммируем характеристики полууправляемых и полностью управляемых силовых устройств:

Тип устройства	СКР	ГТП	МОП-транзистор	БТИЗ
Тип управления	Импульсный триггер	Текущий контроль	контроль напряжения	киноцентр
линия самоотключения	Отключение коммутации	устройство самоотключения	устройство самоотключения	устройство самоотключения
рабочая частота	<1 кГц	<30 кГц	20 кГц-МГц	<40 кГц
Движущая сила	маленький	большой	маленький	маленький
коммутационные потери	большой	большой	большой	большой
потеря проводимости	маленький	маленький	большой	маленький
Уровень напряжения и тока	最大	большой	минимум	более
Типичные применения	Среднечастотный индукционный нагрев	Преобразователь частоты ИБП	импульсный источник питания	Преобразователь частоты ИБП
цена	самый низкий	ниже	в середине	Самый дорогой
эффект модуляции проводимости	иметь	иметь	никто	иметь

Познакомьтесь с МОП-транзисторами

MOSFET имеет высокий входной импеданс, низкий уровень шума и хорошую термическую стабильность; он имеет простой процесс изготовления и сильное излучение, поэтому его обычно используют в схемах усилителей или схемах переключения;

(1) Основные параметры выбора: напряжение сток-исток VDS (выдерживаемое напряжение), постоянный ток утечки ID, сопротивление открытого состояния RDS(on), входная емкость СНПЧ (емкость перехода), добротность FOM=Ron*Qg и т. д.

(2) В соответствии с различными процессами он делится на TrenchMOS: траншейный МОП-транзистор, в основном в поле низкого напряжения в пределах 100 В; SGT (разделенный затвор) MOSFET: MOSFET с разделенным затвором, в основном в области среднего и низкого напряжения в пределах 200 В; SJ MOSFET: MOSFET с суперпереходом, в основном в области высокого напряжения 600-800 В;

В импульсном источнике питания, таком как схема с открытым стоком, сток подключен к неповрежденной нагрузке, что называется открытым стоком. В схеме с открытым стоком, независимо от того, насколько высокое напряжение подключено к нагрузке, ток нагрузки может включаться и выключаться. Это идеальное аналоговое коммутационное устройство. Это принцип MOSFET как переключающего устройства.

Что касается доли рынка, то почти все МОП-транзисторы сосредоточены в руках крупных международных производителей. Среди них Infineon приобрела IR (American International Rectifier Company) в 2015 году и стала лидером отрасли. ON Semiconductor также завершила приобретение Fairchild Semiconductor в сентябре 2016 года. Доля рынка подскочила на второе место, а затем в рейтингах продаж были Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna и т. д.;

Основные бренды MOSFET разделены на несколько серий: американскую, японскую и корейскую.

Американские серии: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS и др.;

Японские: Toshiba, Renesas, ROHM и др.;

Корейские серии: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA.

Категории корпусов MOSFET

По способу установки на печатную плату корпуса МОП-транзисторов делятся на два основных типа: вставные (Through Hole) и для поверхностного монтажа (Surface Mount).

Вставной тип означает, что выводы MOSFET проходят через монтажные отверстия печатной платы и привариваются к печатной плате. Общие пакеты подключаемых модулей включают в себя: пакет с двойным входом (DIP), пакет схемы транзистора (TO) и пакет массива выводов (PGA).

Вставная упаковка

Поверхностный монтаж заключается в том, что выводы MOSFET и фланец для отвода тепла привариваются к площадкам на поверхности печатной платы. Типичные корпуса для поверхностного монтажа включают в себя: корпус транзистора (D-PAK), транзистор малого контура (SOT), корпус малого контура (SOP), четырехъядерный плоский корпус (QFP), пластиковый держатель микросхемы с выводами (PLCC) и т. д.

пакет для поверхностного монтажа

С развитием технологий печатные платы, такие как материнские платы и видеокарты, в настоящее время используют все меньше и меньше корпусов с прямым подключением, и используется все больше корпусов для поверхностного монтажа.

1. Двойной рядный корпус (DIP)

Корпус DIP имеет два ряда контактов, и его необходимо вставить в гнездо микросхемы со структурой DIP. Его производным методом является SDIP (Shrink DIP), который представляет собой термоусадочную двухрядную упаковку. Плотность контактов в 6 раз выше, чем у DIP.

Формы конструкции упаковки DIP включают в себя: многослойную керамическую двухрядную DIP, однослойную керамическую двухрядную DIP, DIP с выводной рамкой (включая тип стеклокерамического уплотнения, тип конструкции с пластиковой инкапсуляцией, керамическую капсулу из легкоплавкого стекла тип) и т. д. Характеристика упаковки DIP заключается в том, что она позволяет легко осуществлять сквозную сварку печатных плат и имеет хорошую совместимость с материнской платой.

Однако, поскольку площадь и толщина корпуса относительно велики, а контакты легко повреждаются в процессе подключения и отключения, надежность низкая. В то же время из-за влияния процесса количество контактов обычно не превышает 100. Таким образом, в процессе высокой интеграции электронной промышленности DIP-упаковка постепенно сошла со сцены истории.

2. Пакет схемы транзистора (ТО)

Ранние спецификации упаковки, такие как TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 и т. д., представляют собой вставные конструкции упаковки.

TO-3P/247: Это широко используемая форма упаковки для МОП-транзисторов среднего, высокого напряжения и сильноточных МОП-транзисторов. Продукт обладает характеристиками высокого выдерживаемого напряжения и сильной стойкостью к пробою.

ТО-220/220Ф: ТО-220Ф представляет собой полностью пластиковую упаковку, при установке на радиатор не требуется добавлять изолирующую прокладку; ТО-220 имеет металлический лист, соединенный со средним штырем, а при установке радиатора необходима изолирующая прокладка. МОП-транзисторы этих двух корпусов имеют схожий внешний вид и могут использоваться как взаимозаменяемые.

TO-251: Этот упакованный продукт в основном используется для снижения затрат и уменьшения размера продукта. Он в основном используется в средах со средним напряжением и сильным током ниже 60 А и высоким напряжением ниже 7 Н.

TO-92: Этот пакет используется только для низковольтных MOSFET (ток ниже 10 А, выдерживаемое напряжение ниже 60 В) и высоковольтных 1N60/65, чтобы снизить затраты.

В последние годы из-за высокой стоимости сварки вставной упаковки и более низких характеристик теплоотвода по сравнению с продуктами патч-типа спрос на рынке поверхностного монтажа продолжал расти, что также привело к развитию упаковки TO. в упаковку для поверхностного монтажа.

TO-252 (также называемый D-PAK) и TO-263 (D2PAK) представляют собой комплекты для поверхностного монтажа.。

К упаковке внешний вид продукта

TO252/D-PAK — это пластиковый корпус микросхемы, который обычно используется для упаковки силовых транзисторов и микросхем стабилизации напряжения. Это один из нынешних основных пакетов. МОП-транзистор, использующий этот метод упаковки, имеет три электрода: затвор (G), сток (D) и исток (S). Сливной штифт (D) отрезан и не используется. Вместо этого в качестве стока (D) используется радиатор на задней панели, который приварен непосредственно к печатной плате. С одной стороны, он используется для вывода больших токов, а с другой – для рассеивания тепла через печатную плату. Поэтому на плате имеется три площадки D-PAK, причем стоковая (D) площадка больше. Характеристики его упаковки следующие:

Размеры упаковки ТО-252/Д-ПАК

ТО-263 является вариантом ТО-220. Он в основном предназначен для повышения эффективности производства и рассеивания тепла. Он поддерживает чрезвычайно высокий ток и напряжение. Это чаще встречается в сильноточных МОП-транзисторах среднего напряжения с током ниже 150 А и выше 30 В. Помимо Д2ПАК (ТО-263АБ), в него также входят ТО263-2, ТО263-3, ТО263-5, ТО263-7 и другие стили, подчиненные ТО-263, в основном из-за различного количества и расстояния выводов. .

Спецификация размера упаковки ТО-263/Д2ПАКs

3. Пакет массива выводов (PGA)

Внутри и снаружи чипа PGA (Pin Grid Array Package) имеется несколько выводов квадратного массива. Каждый вывод квадратного массива расположен на определенном расстоянии вокруг чипа. В зависимости от количества булавок его можно сформировать от 2 до 5 кругов. Во время установки просто вставьте чип в специальный разъем PGA. Он обладает такими преимуществами, как простота подключения и отключения, высокая надежность и способность адаптироваться к более высоким частотам.

Стиль упаковки PGA

Большинство подложек чипов изготовлены из керамического материала, а в некоторых в качестве подложки используется специальная пластиковая смола. С точки зрения технологии расстояние между центрами контактов обычно составляет 2,54 мм, а количество контактов колеблется от 64 до 447. Характерной особенностью этого вида упаковки является то, что чем меньше площадь (объем) упаковки, тем ниже энергопотребление (производительность). ) выдержит, и наоборот. Этот стиль упаковки микросхем был более распространен в первые дни и в основном использовался для упаковки продуктов с высоким энергопотреблением, таких как процессоры. Например, процессоры Intel 80486 и Pentium используют этот стиль упаковки; он не получил широкого распространения среди производителей MOSFET.

4. Компактный транзисторный блок (SOT)

SOT (маленький выходной транзистор) представляет собой небольшой силовой транзистор патч-типа, в основном включающий SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (т. е. SOT23-5) и т. д. SOT323, SOT363/SOT26 (т. е. SOT23-6) и другие типы. производные, которые меньше по размеру, чем пакеты ТО.

Тип пакета СОТ

SOT23 — это широко используемый транзисторный корпус с тремя выводами в форме крыльев: коллектором, эмиттером и базой, которые расположены на обеих сторонах длинной стороны компонента. Среди них эмиттер и база находятся на одной стороне. Они распространены в маломощных транзисторах, полевых транзисторах и составных транзисторах с резисторными сетями. Они обладают хорошей прочностью, но плохой паяемостью. Внешний вид показан на рисунке (а) ниже.

SOT89 имеет три коротких контакта, расположенных на одной стороне транзистора. Другая сторона представляет собой металлический радиатор, соединенный с основанием для увеличения способности рассеивания тепла. Он часто встречается в кремниевых силовых транзисторах поверхностного монтажа и подходит для приложений с более высокой мощностью. Внешний вид показан на рисунке (b) ниже.

SOT143 имеет четыре коротких крыльевых контакта, выведенных с обеих сторон. Более широкий конец штифта является коллектором. Этот тип корпуса распространен в высокочастотных транзисторах, его внешний вид показан на рисунке (в) ниже.

SOT252 — мощный транзистор с тремя выводами, ведущими с одной стороны, причем средний вывод короче и является коллектором. Подключите к большему контакту на другом конце, который представляет собой медный лист для рассеивания тепла, его внешний вид показан на рисунке (d) ниже.

Общее сравнение внешнего вида пакета SOT

Четырехконтактный МОП-транзистор SOT-89 обычно используется на материнских платах. Его технические характеристики и размеры следующие:

Характеристики размеров МОП-транзистора SOT-89 (единицы измерения: мм)

5. Малый плановый пакет (СОП)

SOP (Small Out-Line Package) — это один из пакетов для поверхностного монтажа, также называемый SOL или DFP. Булавки вытянуты с обеих сторон упаковки в форме крыла чайки (L-образная форма). Материалы пластик и керамика. Стандарты упаковки СОП включают СОП-8, СОП-16, СОП-20, СОП-28 и т. д. Число после СОП указывает количество контактов. Большинство корпусов MOSFET SOP соответствуют спецификациям SOP-8. В отрасли часто опускают букву «P» и сокращают ее до SO (Small Out-Line).

Размер упаковки СОП-8

SO-8 был впервые разработан компанией PHILIP. Он упакован в пластик, не имеет нижней пластины и имеет плохой отвод тепла. Обычно он используется для МОП-транзисторов малой мощности. Позже постепенно были получены стандартные спецификации, такие как TSOP (тонкий малый пакет), VSOP (очень маленький пакет), SSOP (усадочный SOP), TSSOP (тонкий усадочный SOP) и т. д.; среди них TSOP и TSSOP обычно используются в корпусе MOSFET.

Спецификации, полученные из SOP, обычно используемые для МОП-транзисторов.

6. Четырехплоский пакет (QFP)

Расстояние между выводами чипа в корпусе QFP (Plastic Quad Flat Package) очень маленькое, а выводы очень тонкие. Обычно он используется в крупномасштабных или сверхбольших интегральных схемах, а количество контактов обычно превышает 100. Чипы, упакованные в этой форме, должны использовать технологию поверхностного монтажа SMT для припаивания чипа к материнской плате. Этот метод упаковки имеет четыре основные характеристики: ① Подходит для технологии поверхностного монтажа SMD для установки проводов на печатных платах; ② Подходит для высокочастотного использования; ③ Он прост в эксплуатации и имеет высокую надежность; ④ Соотношение площади чипа и площади упаковки небольшое. Как и метод упаковки PGA, этот метод упаковки заворачивает чип в пластиковый пакет и не может рассеивать тепло, выделяемое при своевременной работе чипа. Это ограничивает улучшение производительности MOSFET; а сама пластиковая упаковка увеличивает размеры устройства, что не соответствует требованиям развития полупроводников в сторону лёгкости, тонкости, короткости и маленького размера. Кроме того, этот тип метода упаковки основан на одном чипе, что связано с низкой эффективностью производства и высокой стоимостью упаковки. Таким образом, QFP больше подходит для использования в схемах цифровой логики LSI, таких как микропроцессоры/матрицы вентилей, а также подходит для упаковки аналоговых схем LSI, таких как обработка сигналов видеомагнитофонов и обработка аудиосигналов.

7. Четырехъядерный плоский корпус без выводов (QFN).

Корпус QFN (Quad Flat Non-leaded package) оснащен электродными контактами со всех четырех сторон. Поскольку выводы отсутствуют, площадь монтажа меньше, чем у QFP, а высота меньше, чем у QFP. Среди них керамический QFN также называется LCC (безвыводные держатели чипа), а недорогой пластиковый QFN с использованием базового материала подложки, напечатанного на стеклянной эпоксидной смоле, называется пластиком LCC, PCLC, P-LCC и т. д. Это новая упаковка для чипов для поверхностного монтажа. Технология с небольшим размером прокладки, небольшим объемом и пластиком в качестве уплотнительного материала. QFN в основном используется для изготовления корпусов интегральных схем, а MOSFET использоваться не будет. Однако, поскольку Intel предложила интегрированный драйвер и решение MOSFET, она выпустила DrMOS в корпусе QFN-56 («56» относится к 56 контактам подключения на задней стороне чипа).

Следует отметить, что корпус QFN имеет ту же конфигурацию внешних выводов, что и ультратонкий корпус малого контура (TSSOP), но его размер на 62% меньше, чем TSSOP. Согласно данным моделирования QFN, его тепловые характеристики на 55% выше, чем у упаковки TSSOP, а электрические характеристики (индуктивность и емкость) на 60% и 30% выше, чем у упаковки TSSOP соответственно. Самый большой недостаток – сложность ремонта.

DrMOS в корпусе QFN-56

Традиционные дискретные понижающие импульсные источники питания постоянного/постоянного тока не могут удовлетворить требования к более высокой плотности мощности и не могут решить проблему паразитных эффектов параметров на высоких частотах переключения. Благодаря инновациям и развитию технологий интеграция драйверов и МОП-транзисторов для создания многокристальных модулей стала реальностью. Этот метод интеграции может сэкономить значительное пространство и увеличить плотность энергопотребления. Благодаря оптимизации драйверов и МОП-транзисторов это стало реальностью. Энергоэффективность и высококачественный постоянный ток — это интегрированная микросхема драйвера DrMOS.

Renesas DrMOS 2-го поколения

Безвыводной корпус QFN-56 обеспечивает очень низкое тепловое сопротивление DrMOS; Благодаря внутреннему соединению проводов и конструкции медных зажимов можно свести к минимуму количество внешних проводов на печатной плате, тем самым уменьшая индуктивность и сопротивление. Кроме того, используемый процесс кремниевого МОП-транзистора с глубоким каналом также может значительно снизить потери на проводимость, переключение и заряд затвора; он совместим с различными контроллерами, может работать в различных режимах и поддерживает режим активного преобразования фазы APS (автоматическое переключение фазы). Помимо упаковки QFN, двусторонняя плоская упаковка без свинца (DFN) также представляет собой новый процесс упаковки электронных устройств, который широко используется в различных компонентах ON Semiconductor. По сравнению с QFN, DFN имеет меньше выводных электродов с обеих сторон.

8. Пластиковый держатель чипа с выводами (PLCC).

PLCC (Plastic Quad Flat Package) имеет квадратную форму и намного меньше корпуса DIP. Он имеет 32 контакта со всеми контактами. Штифты выведены с четырех сторон корпуса в Т-образной форме. Это пластиковый продукт. Расстояние между центрами штифтов составляет 1,27 мм, а количество штифтов варьируется от 18 до 84. J-образные штифты не легко деформируются, и ими легче управлять, чем QFP, но проверка внешнего вида после сварки сложнее. Упаковка PLCC подходит для монтажа проводки на печатной плате с использованием технологии поверхностного монтажа SMT. Он имеет преимущества небольшого размера и высокой надежности. Упаковка PLCC относительно распространена и используется в логических LSI, DLD (или устройствах программной логики) и других схемах. Эта форма упаковки часто используется в BIOS материнских плат, но в настоящее время она менее распространена в МОП-транзисторах.

Инкапсуляция и улучшение для крупных предприятий

В связи с тенденцией развития низкого напряжения и высокого тока в процессорах полевые МОП-транзисторы должны иметь большой выходной ток, низкое сопротивление в открытом состоянии, низкое тепловыделение, быстрое рассеивание тепла и небольшие размеры. Помимо совершенствования технологий и процессов производства микросхем, производители МОП-транзисторов также продолжают совершенствовать технологию упаковки. На основе совместимости со стандартными спецификациями внешнего вида они предлагают новые формы упаковки и регистрируют торговые марки для разрабатываемых ими новых упаковок.

1. Пакеты RENESAS WPAK, LFPAK и LFPAK-I.

WPAK — это пакет с высоким уровнем теплоизлучения, разработанный Renesas. Имитируя корпус D-PAK, радиатор чипа приваривается к материнской плате, и тепло рассеивается через материнскую плату, так что небольшой корпус WPAK также может достигать выходного тока D-PAK. WPAK-D2 содержит два МОП-транзистора высокого/низкого уровня для уменьшения индуктивности проводки.

Размер упаковки Renesas WPAK

LFPAK и LFPAK-I — это два других пакета малого форм-фактора, разработанные Renesas и совместимые с SO-8. LFPAK похож на D-PAK, но меньше D-PAK. LFPAK-i размещает радиатор вверх для рассеивания тепла через радиатор.

Пакеты Renesas LFPAK и LFPAK-I

2. Упаковка Vishay Power-PAK и Polar-PAK.

Power-PAK — это название корпуса MOSFET, зарегистрированное Vishay Corporation. Power-PAK включает две спецификации: Power-PAK1212-8 и Power-PAK SO-8.

Комплект Vishay Power-PAK1212-8

Комплект Vishay Power-PAK SO-8

Polar PAK — это небольшая упаковка с двусторонним отводом тепла, являющаяся одной из основных упаковочных технологий Vishay. Полар ПАК аналогичен обычному пакету Со-8. Он имеет точки рассеивания как на верхней, так и на нижней стороне корпуса. Внутри корпуса нелегко аккумулировать тепло, и он может увеличить плотность рабочего тока вдвое по сравнению с СО-8. В настоящее время Vishay лицензировала технологию Polar PAK компании STMicroelectronics.

Пакет Vishay Polar PAK

3. Корпуса с плоскими выводами Onsemi SO-8 и WDFN8.

Компания ON Semiconductor разработала два типа МОП-транзисторов с плоскими выводами, среди которых во многих платах используются совместимые с SO-8. Недавно выпущенные силовые МОП-транзисторы NVMx и NVTx компании ON Semiconductor используют компактные корпуса DFN5 (SO-8FL) и WDFN8 для минимизации потерь проводимости. Он также имеет низкий QG и емкость для минимизации потерь драйвера.

Корпус с плоским выводом ON Semiconductor SO-8

Пакет ON Semiconductor WDFN8

4. Упаковка NXP LFPAK и QLPAK.

Компания NXP (ранее Philps) усовершенствовала технологию упаковки SO-8 в LFPAK и QLPAK. Среди них LFPAK считается самым надежным силовым агрегатом СО-8 в мире; в то время как QLPAK имеет небольшой размер и более высокую эффективность рассеивания тепла. По сравнению с обычным SO-8, QLPAK занимает площадь печатной платы 6*5 мм и имеет тепловое сопротивление 1,5 к/Вт.

Пакет NXP LFPAK

Упаковка NXP QLPAK

4. Пакет ST Semiconductor PowerSO-8.

Технологии упаковки силовых MOSFET-транзисторов STMicroelectronics включают SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK и т. д. Среди них Power SO-8 представляет собой улучшенную версию SO-8. Кроме того, существуют пакеты PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 и другие.

Пакет STMicroelectronics Power SO-8

5. Пакет Fairchild Semiconductor Power 56.

Power 56 — эксклюзивное название Farichild, а официальное название — DFN5×6. Площадь его упаковки сопоставима с площадью обычно используемого TSOP-8, тонкий корпус экономит высоту зазора между компонентами, а конструкция Thermal-Pad внизу снижает тепловое сопротивление. Поэтому многие производители силовых устройств используют DFN5×6.

Пакет Fairchild Power 56

6. Международный комплект выпрямителя (IR) Direct FET.

Direct FET обеспечивает эффективное верхнее охлаждение в корпусе SO-8 или меньше и подходит для преобразователей переменного и постоянного тока в компьютерах, ноутбуках, телекоммуникационном и потребительском электронном оборудовании. Металлическая конструкция DirectFET обеспечивает двустороннее рассеивание тепла, эффективно удваивая возможности обработки тока высокочастотных понижающих преобразователей постоянного тока по сравнению со стандартными пластиковыми дискретными корпусами. Корпус Direct FET имеет обратную установку: радиатор стока (D) обращен вверх и закрыт металлической оболочкой, через которую рассеивается тепло. Упаковка с прямым полевым транзистором значительно улучшает отвод тепла и занимает меньше места при хорошем отводе тепла.

Прямая инкапсуляция полевого транзистора

Подвести итог

В будущем, поскольку электронная промышленность продолжает развиваться в направлении сверхтонких, миниатюрных, низковольтных и сильноточных, внешний вид и внутренняя структура упаковки MOSFET также изменятся, чтобы лучше адаптироваться к потребностям развития производства. промышленность. Кроме того, чтобы снизить порог выбора для производителей электроники, тенденция развития МОП-транзисторов в направлении модульности и упаковки на системном уровне станет все более очевидной, а продукция будет разрабатываться скоординированно по нескольким измерениям, таким как производительность и стоимость. . Корпус является одним из важных ориентировочных факторов при выборе MOSFET. Различные электронные продукты имеют разные электрические требования, а разные условия установки также требуют соответствия техническим характеристикам размеров. При фактическом выборе решение должно приниматься в соответствии с реальными потребностями в соответствии с общим принципом. Некоторые электронные системы ограничены размером печатной платы и внутренней высотой. Например, в модулях питания систем связи обычно используются корпуса DFN5*6 и DFN3*3 из-за ограничений по высоте; в некоторых источниках питания ACDC для сборки корпусных силовых МОП-транзисторов TO220 подходят сверхтонкие конструкции или из-за ограничений корпуса. В это время штифты можно вставлять непосредственно в корень, что не подходит для упакованных продуктов TO247; некоторые ультратонкие конструкции требуют, чтобы выводы устройства были согнуты и уложены ровно, что усложняет выбор МОП-транзистора.

Как выбрать МОП-транзистор

Однажды инженер сказал мне, что он никогда не просматривал первую страницу описания МОП-транзистора, потому что «практическая» информация появлялась только на второй странице и дальше. Практически каждая страница технических данных МОП-транзистора содержит ценную информацию для разработчиков. Но не всегда понятно, как интерпретировать данные, предоставляемые производителями.

В этой статье описываются некоторые ключевые характеристики МОП-транзисторов, их обозначение в технических характеристиках и четкое представление, необходимое для их понимания. Как и большинство электронных устройств, МОП-транзисторы зависят от рабочей температуры. Поэтому важно понимать условия испытаний, при которых применяются упомянутые показатели. Также крайне важно понять, являются ли показатели, которые вы видите в «Введении о продукте», «максимальными» или «типичными» значениями, поскольку в некоторых таблицах данных это не указано.

Класс напряжения

Основной характеристикой, определяющей МОП-транзистор, является его напряжение сток-исток VDS, или «напряжение пробоя сток-исток», которое представляет собой самое высокое напряжение, которое МОП-транзистор может выдержать без повреждения, когда затвор закорочен на исток и ток стока. составляет 250 мкА. . VDS также называют «абсолютным максимальным напряжением при 25°C», но важно помнить, что это абсолютное напряжение зависит от температуры, и в технических характеристиках обычно указан «температурный коэффициент VDS». Вам также необходимо понимать, что максимальное значение VDS — это напряжение постоянного тока плюс любые скачки и пульсации напряжения, которые могут присутствовать в цепи. Например, если вы используете устройство на 30 В с источником питания 30 В с пиком напряжения 100 мВ и длительностью 5 нс, напряжение превысит абсолютный максимальный предел устройства, и устройство может перейти в лавинный режим. В этом случае надежность МОП-транзистора не может быть гарантирована. При высоких температурах температурный коэффициент может существенно изменить напряжение пробоя. Например, некоторые N-канальные МОП-транзисторы с номинальным напряжением 600 В имеют положительный температурный коэффициент. Когда они приближаются к максимальной температуре перехода, температурный коэффициент заставляет эти МОП-транзисторы вести себя как МОП-транзисторы на 650 В. Правила проектирования многих пользователей MOSFET требуют коэффициента снижения мощности от 10% до 20%. В некоторых конструкциях, учитывая, что фактическое напряжение пробоя на 5–10 % выше номинального значения при 25 °C, к фактической конструкции будет добавлен соответствующий полезный расчетный запас, что очень полезно для конструкции. Не менее важно для правильного выбора МОП-транзисторов понимание роли напряжения затвор-исток VGS в процессе проводимости. Это напряжение обеспечивает полную проводимость МОП-транзистора при заданном максимальном состоянии RDS(включено). Именно поэтому сопротивление включения всегда связано с уровнем VGS, и только при этом напряжении можно включить устройство. Важным следствием конструкции является то, что вы не можете полностью включить МОП-транзистор при напряжении ниже минимального VGS, используемого для достижения номинала RDS(on). Например, чтобы полностью включить полевой МОП-транзистор с помощью микроконтроллера с напряжением 3,3 В, вам необходимо иметь возможность включить полевой МОП-транзистор при VGS = 2,5 В или ниже.

Сопротивление включению, заряд ворот и «показатель качества»

Сопротивление открытого состояния МОП-транзистора всегда определяется при одном или нескольких напряжениях затвор-исток. Максимальный предел RDS(on) может быть на 20–50 % выше типичного значения. Максимальный предел RDS(on) обычно относится к значению при температуре перехода 25°C. При более высоких температурах RDS(on) может увеличиться на 30–150 %, как показано на рисунке 1. Поскольку RDS(on) изменяется с температурой и минимальное значение сопротивления не может быть гарантировано, определение тока на основе RDS(on) невозможно. очень точный метод.

RDS(on) увеличивается с ростом температуры в диапазоне от 30% до 150% от максимальной рабочей температуры.

Рисунок 1 RDS(on) увеличивается с температурой в диапазоне от 30% до 150% от максимальной рабочей температуры.

Сопротивление открытого состояния очень важно как для N-канальных, так и для P-канальных МОП-транзисторов. В импульсных источниках питания Qg является ключевым критерием выбора N-канальных МОП-транзисторов, используемых в импульсных источниках питания, поскольку Qg влияет на потери при переключении. Эти потери имеют два эффекта: один — время переключения, которое влияет на включение и выключение МОП-транзистора; другой — это энергия, необходимая для зарядки емкости затвора во время каждого процесса переключения. Следует иметь в виду, что Qg зависит от напряжения затвор-исток, даже если использование более низкого значения Vgs снижает потери на переключение. Для быстрого сравнения МОП-транзисторов, предназначенных для использования в переключающих приложениях, разработчики часто используют единую формулу, состоящую из RDS(on) для потерь проводимости и Qg для потерь переключения: RDS(on)xQg. Этот «показатель качества» (FOM) суммирует характеристики устройства и позволяет сравнивать МОП-транзисторы с точки зрения типичных или максимальных значений. Чтобы обеспечить точное сравнение между устройствами, необходимо убедиться, что для RDS(on) и Qg используется один и тот же VGS и что в публикации типичные и максимальные значения не перепутаны. Меньшее значение FOM обеспечит лучшую производительность при переключении приложений, но это не гарантировано. Наилучшие результаты сравнения можно получить только в реальной схеме, и в некоторых случаях может потребоваться точная настройка схемы для каждого МОП-транзистора. Номинальный ток и рассеиваемая мощность, основанные на различных условиях испытаний, большинство МОП-транзисторов имеют в паспорте один или несколько непрерывных токов стока. Вам следует внимательно просмотреть паспортные данные, чтобы выяснить, соответствует ли номинал указанной температуре корпуса (например, TC=25°C) или температуре окружающей среды (например, TA=25°C). Какое из этих значений наиболее актуально, будет зависеть от характеристик устройства и его применения (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Все абсолютные максимальные значения тока и мощности являются реальными данными.

Для небольших устройств поверхностного монтажа, используемых в портативных устройствах, наиболее подходящим уровнем тока может быть уровень тока при температуре окружающей среды 70°C. Для крупного оборудования с радиаторами и принудительным воздушным охлаждением текущий уровень при TA=25℃ может быть ближе к реальной ситуации. В некоторых устройствах кристалл может выдерживать больший ток при максимальной температуре перехода, чем пределы корпуса. В некоторых таблицах данных этот «ограниченный кристаллом» уровень тока является дополнительной информацией к «ограниченному корпусом» текущему уровню, которая может дать вам представление о надежности кристалла. Аналогичные соображения применимы и к непрерывному рассеиванию мощности, которое зависит не только от температуры, но и от времени включения. Представьте себе устройство, работающее непрерывно при PD=4 Вт в течение 10 секунд при TA=70℃. То, что представляет собой «непрерывный» период времени, будет варьироваться в зависимости от корпуса MOSFET, поэтому вам нужно будет использовать график нормализованного теплового переходного импеданса из таблицы данных, чтобы увидеть, как выглядит рассеиваемая мощность через 10 секунд, 100 секунд или 10 минут. . Как показано на рисунке 3, коэффициент термического сопротивления этого специализированного устройства после 10-секундного импульса составляет примерно 0,33, что означает, что как только корпус достигнет теплового насыщения примерно через 10 минут, мощность рассеивания тепла устройства составит всего 1,33 Вт вместо 4 Вт. . Хотя при хорошем охлаждении мощность тепловыделения устройства может достигать около 2 Вт.

Рисунок 3. Термическое сопротивление MOSFET при подаче импульса мощности.

Фактически, мы можем разделить выбор МОП-транзистора на четыре этапа.

Первый шаг: выберите канал N или канал P.

Первым шагом в выборе подходящего устройства для вашей конструкции является принятие решения о том, использовать ли N-канальный или P-канальный МОП-транзистор. В типичном силовом приложении, когда МОП-транзистор подключен к земле, а нагрузка подключена к сетевому напряжению, МОП-транзистор образует переключатель нижнего плеча. В переключателе нижнего плеча следует использовать N-канальные МОП-транзисторы из соображений напряжения, необходимого для выключения или включения устройства. Когда МОП-транзистор подключен к шине и нагрузка заземлена, используется переключатель высокого плеча. В этой топологии обычно используются P-канальные МОП-транзисторы, что также обусловлено соображениями управления напряжением. Чтобы выбрать правильное устройство для вашего приложения, вы должны определить напряжение, необходимое для управления устройством, и самый простой способ сделать это в вашей конструкции. Следующим шагом является определение необходимого номинального напряжения или максимального напряжения, которое может выдержать устройство. Чем выше номинальное напряжение, тем выше стоимость устройства. Согласно практическому опыту, номинальное напряжение должно быть выше напряжения сети или напряжения шины. Это обеспечит достаточную защиту, чтобы МОП-транзистор не вышел из строя. При выборе МОП-транзистора необходимо определить максимальное напряжение, которое можно допустить от стока к истоку, то есть максимальное VDS. Важно знать, что максимальное напряжение, которое может выдержать МОП-транзистор, изменяется в зависимости от температуры. Проектировщики должны проверять изменения напряжения во всем диапазоне рабочих температур. Номинальное напряжение должно иметь достаточный запас, чтобы покрыть этот диапазон изменений, чтобы гарантировать, что схема не выйдет из строя. Другие факторы безопасности, которые должны учитывать инженеры-проектировщики, включают переходные напряжения, вызванные коммутацией электроники, такой как двигатели или трансформаторы. Номинальные напряжения различаются для разных применений; обычно 20 В для портативных устройств, 20–30 В для источников питания FPGA и 450–600 В для приложений с напряжением 85–220 В переменного тока.

Шаг 2: Определите номинальный ток

Вторым шагом является выбор текущего номинала MOSFET. В зависимости от конфигурации схемы этот номинальный ток должен быть максимальным током, который нагрузка может выдержать при любых обстоятельствах. Как и в случае с напряжением, разработчик должен убедиться, что выбранный МОП-транзистор может выдерживать этот номинальный ток, даже если система генерирует скачки тока. Рассматриваются два текущих режима: непрерывный режим и пиковый импульс. В режиме непрерывной проводимости МОП-транзистор находится в устойчивом состоянии, когда через устройство непрерывно течет ток. Всплеск импульса означает большой всплеск тока (или всплеск тока), протекающий через устройство. Как только максимальный ток в этих условиях определен, остается просто выбрать устройство, способное выдержать этот максимальный ток. После выбора номинального тока необходимо также рассчитать потери проводимости. В реальных ситуациях МОП-транзистор не является идеальным устройством, поскольку в процессе проводимости возникают потери электрической энергии, которые называются потерями проводимости. МОП-транзистор во включенном состоянии ведет себя как переменный резистор, что определяется RDS(ON) устройства и значительно меняется в зависимости от температуры. Потери мощности устройства можно рассчитать по формуле Iload2×RDS(ON). Поскольку сопротивление включения изменяется в зависимости от температуры, потери мощности также будут изменяться пропорционально. Чем выше напряжение VGS, приложенное к MOSFET, тем меньше будет RDS(ON); и наоборот, тем выше будет RDS(ON). Для проектировщика системы именно здесь вступают в силу компромиссы в зависимости от напряжения системы. Для портативных конструкций проще (и более распространено) использовать более низкие напряжения, тогда как для промышленных конструкций можно использовать более высокие напряжения. Обратите внимание, что сопротивление RDS(ON) будет немного увеличиваться с увеличением тока. Вариации различных электрических параметров резистора RDS(ON) можно найти в техническом паспорте, предоставленном производителем. Технология оказывает существенное влияние на характеристики устройства, поскольку некоторые технологии имеют тенденцию увеличивать RDS(ON) при увеличении максимального VDS. Для такой технологии, если вы намерены уменьшить VDS и RDS(ON), вам придется увеличить размер чипа, тем самым увеличивая размер соответствующего пакета и соответствующие затраты на разработку. В отрасли существует несколько технологий, пытающихся контролировать увеличение размера чипов, наиболее важными из которых являются технологии балансировки каналов и заряда. В траншейной технологии в пластину встроена глубокая траншея, обычно предназначенная для низких напряжений, чтобы уменьшить сопротивление RDS(ON) в открытом состоянии. Чтобы уменьшить влияние максимального VDS на RDS(ON), в процессе разработки использовался процесс эпитаксиальной колонки роста/колонки травления. Например, компания Fairchild Semiconductor разработала технологию под названием SuperFET, которая добавляет дополнительные этапы производства для снижения RDS(ON). Сосредоточение внимания на RDS(ON) важно, поскольку по мере увеличения напряжения пробоя стандартного MOSFET RDS(ON) увеличивается экспоненциально и приводит к увеличению размера кристалла. Процесс SuperFET меняет экспоненциальную зависимость между RDS(ON) и размером пластины на линейную. Таким образом, устройства SuperFET могут достичь идеально низкого RDS(ON) при небольших размерах кристалла даже при напряжении пробоя до 600 В. В результате размер пластины может быть уменьшен до 35%. Для конечных пользователей это означает значительное уменьшение размера упаковки.

Шаг третий: Определите температурные требования

Следующим шагом при выборе МОП-транзистора является расчет тепловых требований системы. Проектировщики должны рассмотреть два разных сценария: наихудший сценарий и реальный сценарий. Рекомендуется использовать результат расчета наихудшего случая, поскольку этот результат обеспечивает больший запас прочности и гарантирует, что система не выйдет из строя. В таблице данных MOSFET также есть некоторые данные измерений, на которые следует обратить внимание; такие как тепловое сопротивление между полупроводниковым переходом корпусного устройства и окружающей средой, а также максимальная температура перехода. Температура перехода устройства равна максимальной температуре окружающей среды плюс произведение термического сопротивления и рассеиваемой мощности (температура перехода = максимальная температура окружающей среды + [тепловое сопротивление × рассеиваемая мощность]). Согласно этому уравнению можно определить максимальную рассеиваемую мощность системы, которая по определению равна I2×RDS(ON). Поскольку разработчик определил максимальный ток, который пройдет через устройство, RDS(ON) можно рассчитать при разных температурах. Стоит отметить, что при работе с простыми тепловыми моделями проектировщики также должны учитывать теплоемкость полупроводникового перехода/корпуса устройства и корпуса/окружающей среды; для этого необходимо, чтобы печатная плата и корпус не нагревались сразу. Лавинный пробой означает, что обратное напряжение на полупроводниковом устройстве превышает максимальное значение и образует сильное электрическое поле для увеличения тока в устройстве. Этот ток приведет к рассеиванию мощности, повышению температуры устройства и, возможно, повреждению устройства. Компании-производители полупроводников проведут лавинные испытания устройств, рассчитают их лавинное напряжение или проверят надежность устройства. Существует два метода расчета номинального лавинного напряжения; один - статистический метод, а другой - термический расчет. Тепловой расчет широко используется, поскольку он более практичен. Многие компании предоставили подробную информацию о тестировании своих устройств. Например, компания Fairchild Semiconductor предоставляет «Руководство по лавинной работе Power MOSFET» (Power MOSFET Avalanche Guidelines — можно загрузить с веб-сайта Fairchild). Помимо вычислений, большое влияние на лавинный эффект оказывают технологии. Например, увеличение размера кристалла увеличивает лавинную устойчивость и, в конечном итоге, повышает надежность устройства. Для конечных пользователей это означает использование в системе пакетов большего размера.

Шаг 4. Определите производительность коммутатора

Последним шагом при выборе MOSFET является определение характеристик переключения MOSFET. Существует множество параметров, влияющих на эффективность переключения, но наиболее важными являются емкости затвор/сток, затвор/исток и сток/исток. Эти конденсаторы создают потери при переключении в устройстве, поскольку они заряжаются при каждом переключении. Таким образом, скорость переключения МОП-транзистора снижается, а также снижается эффективность устройства. Чтобы рассчитать общие потери в устройстве при переключении, проектировщик должен рассчитать потери при включении (Eon) и потери при выключении (Eoff). Полную мощность МОП-транзистора можно выразить следующим уравнением: Psw=(Eon+Eoff)×частота переключения. Заряд затвора (Qgd) оказывает наибольшее влияние на эффективность переключения. Учитывая важность производительности переключения, постоянно разрабатываются новые технологии для решения этой проблемы переключения. Увеличение размера чипа увеличивает заряд затвора; это увеличивает размер устройства. Чтобы уменьшить потери на переключение, появились новые технологии, такие как окисление с толстым дном канала, направленные на уменьшение заряда затвора. Например, новая технология SuperFET может минимизировать потери проводимости и улучшить характеристики переключения за счет уменьшения RDS(ON) и заряда затвора (Qg). Таким образом, МОП-транзисторы могут справляться с высокоскоростными переходными процессами напряжения (dv/dt) и переходными процессами тока (di/dt) во время переключения и даже могут надежно работать на более высоких частотах переключения.