Pochopte MOSFET v jednom článku

Výkonová polovodičová zařízení jsou široce používána v průmyslu, spotřebě, armádě a dalších oborech a mají vysokou strategickou pozici. Podívejme se na celkový obrázek napájecích zařízení z obrázku:

Výkonová polovodičová zařízení lze rozdělit podle stupně řízení obvodových signálů na typ plný, polořízený a neřízený. Nebo podle vlastností signálu budícího obvodu jej lze rozdělit na napěťově řízený typ, proudově řízený typ atd.

Klasifikace	typ	Specifická výkonová polovodičová zařízení
Ovladatelnost elektrických signálů	Polořízený typ	SCR
	Plná kontrola	GTO, GTR, MOSFET, IGBT
	Nekontrolovatelné	Napájecí dioda
Vlastnosti jízdního signálu	Typ poháněný napětím	IGBT, MOSFET, SITH
Vlastnosti jízdního signálu	Typ s aktuálním pohonem	SCR, GTO, GTR
Efektivní průběh signálu	Pulzní typ spouště	SCR, GTO
Efektivní průběh signálu	Typ elektronického ovládání	GTR, MOSFET, IGBT
Situace, kterých se účastní elektrony s proudem	bipolární zařízení	Power Diode, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT
	Unipolární zařízení	MOSFET, SEDNI
	Kompozitní zařízení	MCT, IGBT, SITH a IGCT

Různá výkonová polovodičová zařízení mají různé charakteristiky, jako je napětí, proudová kapacita, impedance a velikost. Při skutečném použití je třeba vybrat vhodná zařízení podle různých oblastí a potřeb.

Různé vlastnosti různých výkonových polovodičových součástek

Polovodičový průmysl prošel od svého zrodu třemi generacemi materiálových změn. Dosud se první polovodičový materiál reprezentovaný Si stále používá hlavně v oblasti výkonových polovodičových součástek.

Polovodičový materiál		Bandgap (eV)	Bod tání (K)	hlavní aplikace
Polovodičové materiály 1. generace	Ge	1.1	1221	Nízkonapěťové, nízkofrekvenční, střední výkonové tranzistory, fotodetektory
Polovodičové materiály 2. generace	Si	0,7	1687
Polovodičové materiály 3. generace	GaAs	1.4	1511	Mikrovlnná, milimetrová zařízení, zařízení vyzařující světlo
	SiC	3.05	2826	1. Vysokoteplotní, vysokofrekvenční, radiaci odolná vysoce výkonná zařízení 2. Modré, jakostní, fialové diody vyzařující světlo, polovodičové lasery
	GaN	3.4	1973
	AIN	6.2	2470
	C	5.5	＞3800
	ZnO	3.37	2248

Shrňte vlastnosti polořízených a plně řízených energetických zařízení:

Typ zařízení	SCR	GTR	MOSFET	IGBT
Typ ovládání	Pulzní spoušť	Kontrola proudu	ovládání napětí	filmové centrum
samovypínací linka	Vypnutí komutace	samovypínací zařízení	samovypínací zařízení	samovypínací zařízení
pracovní frekvence	＜1 kHz	＜30 kHz	20 kHz-Mhz	＜40 kHz
Hnací síla	malý	velký	malý	malý
spínací ztráty	velký	velký	velký	velký
ztráta vedení	malý	malý	velký	malý
Úroveň napětí a proudu	最大	velký	minimální	více
Typické aplikace	Středofrekvenční indukční ohřev	Frekvenční měnič UPS	spínaný zdroj	Frekvenční měnič UPS
cena	nejnižší	spodní	uprostřed	Nejdražší
efekt modulace vodivosti	mít	mít	žádný	mít

Seznamte se s MOSFETy

MOSFET má vysokou vstupní impedanci, nízký šum a dobrou tepelnou stabilitu; má jednoduchý výrobní proces a silné vyzařování, proto se obvykle používá v obvodech zesilovačů nebo spínacích obvodech;

(1) Hlavní parametry výběru: napětí zdroje VDS (výdržné napětí), trvalý svodový proud ID, odpor RDS (zapnuto), vstupní kapacita Ciss (přechodová kapacita), faktor kvality FOM=Ron*Qg atd.

(2) Podle různých procesů se dělí na TrenchMOS: zákopové MOSFET, hlavně v nízkonapěťovém poli do 100V; MOSFET SGT (Split Gate): MOSFET s dělenou bránou, hlavně v oblasti středního a nízkého napětí do 200V; SJ MOSFET: super junction MOSFET, hlavně v poli vysokého napětí 600-800V;

Ve spínaném napájecím zdroji, jako je obvod s otevřeným odtokem, je odtok připojen k neporušené zátěži, která se nazývá otevřený odtok. V obvodu s otevřeným odběrem, bez ohledu na to, jak vysoké napětí je zátěž připojena, lze proud zátěže zapínat a vypínat. Je to ideální analogové spínací zařízení. To je princip MOSFETu jako spínacího zařízení.

Pokud jde o podíl na trhu, MOSFETy jsou téměř všechny soustředěny v rukou velkých mezinárodních výrobců. Mezi nimi společnost Infineon získala v roce 2015 společnost IR (American International Rectifier Company) a stala se lídrem v oboru. ON Semiconductor také dokončil akvizici Fairchild Semiconductor v září 2016. , podíl na trhu vyskočil na druhé místo a poté byly prodejní žebříčky Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna atd.;

Mainstreamové značky MOSFET jsou rozděleny do několika řad: americké, japonské a korejské.

Americká řada: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS atd.;

japonština: Toshiba, Renesas, ROHM atd.;

Korejské série: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA

Kategorie balíků MOSFET

Podle způsobu instalace na desku PCB existují dva hlavní typy pouzder MOSFET: zásuvné (Through Hole) a povrchové montáže (Surface Mount). ...

Zásuvný typ znamená, že kolíky MOSFETu procházejí montážními otvory desky PCB a jsou přivařeny k desce PCB. Běžné balíčky zásuvných modulů zahrnují: duální in-line balíček (DIP), tranzistorový obrysový balíček (TO) a balíček pin grid array (PGA).

Zásuvné balení

Povrchová montáž je místo, kde jsou kolíky MOSFET a příruba pro odvod tepla přivařeny k podložkám na povrchu desky PCB. Typické balíčky pro povrchovou montáž zahrnují: tranzistorový obrys (D-PAK), malý obrysový tranzistor (SOT), malý obrysový balíček (SOP), čtyřnásobný plochý obal (QFP), plastový olovnatý nosič čipu (PLCC) atd.

balíček pro povrchovou montáž

S rozvojem technologie desky plošných spojů, jako jsou základní desky a grafické karty, v současné době stále méně používají přímé zásuvné obaly a více se používají obaly pro povrchovou montáž.

1. Duální in-line balíček (DIP)

Pouzdro DIP má dvě řady kolíků a je potřeba jej vložit do patice čipu s DIP strukturou. Jeho derivační metoda je SDIP (Shrink DIP), což je smršťovací dvouřadý balíček. Hustota kolíků je 6krát vyšší než u DIP.

Formy obalové struktury DIP zahrnují: vícevrstvý keramický dual-in-line DIP, jednovrstvý keramický dual-in-line DIP, olověný rám DIP (včetně typu sklokeramického těsnění, typ struktury plastového zapouzdření, zapouzdření keramického skla s nízkou teplotou tání typ) atd. Charakteristickým znakem DIP balení je, že lze snadno realizovat průchozí svařování desek plošných spojů a má dobrou kompatibilitu se základní deskou.

Protože však jeho obalová plocha a tloušťka jsou relativně velké a kolíky se během procesu zapojování a odpojování snadno poškodí, je spolehlivost špatná. Vlivem procesu přitom počet kolíků obecně nepřesahuje 100. V procesu vysoké integrace elektronického průmyslu se proto obaly DIP postupně stáhly ze stadia historie.

2. Transistor Outline Package (TO)

První specifikace balení, jako jsou TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 atd., jsou všechny návrhy zásuvných obalů.

TO-3P/247: Je to běžně používaná obalová forma pro MOSFETy středního vysokého napětí a vysokého proudu. Výrobek má vlastnosti vysokého výdržného napětí a silné odolnosti proti průrazu.

TO-220/220F: TO-220F je plně plastový obal a při instalaci na radiátor není potřeba přidávat izolační podložku; TO-220 má kovový plech připojený ke střednímu čepu a při instalaci radiátoru je nutná izolační podložka. MOSFETy těchto dvou stylů balení mají podobný vzhled a lze je používat zaměnitelně.

TO-251: Tento balený produkt se používá hlavně ke snížení nákladů a zmenšení velikosti produktu. Používá se především v prostředí se středním napětím a vysokým proudem pod 60A a vysokým napětím pod 7N.

TO-92: Tento balíček se používá pouze pro nízkonapěťové MOSFET (proud pod 10A, výdržné napětí pod 60V) a vysokonapěťové 1N60/65, aby se snížily náklady.

V posledních letech poptávka na trhu povrchové montáže nadále rostla kvůli vysokým nákladům na svařování u zásuvného balicího procesu a horšímu výkonu odvádění tepla oproti produktům typu patch, což také vedlo k vývoji obalů TO do obalů pro povrchovou montáž.

TO-252 (také nazývaný D-PAK) a TO-263 (D2PAK) jsou oba balíčky pro povrchovou montáž.。

TO vzhled produktu balení

TO252/D-PAK je plastový obal čipu, který se běžně používá pro balení výkonových tranzistorů a čipů stabilizujících napětí. Je to jeden ze současných mainstreamových balíčků. MOSFET využívající tuto metodu balení má tři elektrody, hradlo (G), odtok (D) a zdroj (S). Vypouštěcí kolík (D) je odříznutý a nepoužívá se. Místo toho je chladič na zadní straně použit jako odtok (D), který je přímo přivařen k desce plošných spojů. Jednak slouží k vyvedení velkých proudů a jednak odvádí teplo přes DPS. Proto jsou na desce plošných spojů tři podložky D-PAK a odtoková podložka (D) je větší. Jeho specifikace balení jsou následující:

Specifikace velikosti balení TO-252/D-PAK

TO-263 je varianta TO-220. Je určen především ke zlepšení efektivity výroby a odvodu tepla. Podporuje extrémně vysoký proud a napětí. Je častější u vysokonapěťových vysokoproudých MOSFETů pod 150A a nad 30V. Kromě D2PAK (TO-263AB) zahrnuje také TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 a další styly, které jsou podřízeny TO-263, a to především z důvodu různého počtu a vzdálenosti pinů .

Specifikace velikosti balení TO-263/D2PAKs

3. Pin grid array package (PGA)

Uvnitř a vně čipu PGA (Pin Grid Array Package) je několik kolíků čtvercového pole. Každý kolík čtvercového pole je uspořádán v určité vzdálenosti kolem čipu. V závislosti na počtu kolíků může být formován do 2 až 5 kruhů. Při instalaci stačí vložit čip do speciální PGA patice. Má výhody snadného zapojování a odpojování a vysoké spolehlivosti a dokáže se přizpůsobit vyšším frekvencím.

Styl balíčku PGA

Většina jeho čipových substrátů je vyrobena z keramického materiálu a některé používají jako substrát speciální plastovou pryskyřici. Pokud jde o technologii, středová vzdálenost kolíků je obvykle 2,54 mm a počet kolíků se pohybuje od 64 do 447. Charakteristickým znakem tohoto druhu balení je, že čím menší je plocha (objem), tím menší je spotřeba energie (výkon ) vydrží a naopak. Tento styl balení čipů byl běžnější v prvních dnech a většinou se používal pro balení produktů s vysokou spotřebou energie, jako jsou CPU. Například Intel 80486 a Pentium používají tento styl balení; to není široce přijato výrobci MOSFET.

4. Balíček malých obrysových tranzistorů (SOT)

SOT (Small Out-Line Transistor) je balíček malých výkonových tranzistorů typu patch, obsahující především SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (tj. SOT23-5), atd. SOT323, SOT363/SOT26 (tj. SOT23-6) a další typy jsou odvozené, které mají menší velikost než balíčky TO.

Typ balíčku SOT

SOT23 je běžně používané tranzistorové pouzdro se třemi piny ve tvaru křídel, konkrétně kolektorem, emitorem a bází, které jsou uvedeny na obou stranách dlouhé strany součástky. Mezi nimi jsou emitor a základna na stejné straně. Jsou běžné u tranzistorů s nízkým výkonem, tranzistorů s efektem pole a kompozitních tranzistorů s odporovými sítěmi. Mají dobrou pevnost, ale špatnou pájitelnost. Vzhled je znázorněn na obrázku (a) níže.

SOT89 má tři krátké piny rozmístěné na jedné straně tranzistoru. Na druhé straně je kovový chladič připojený k základně pro zvýšení schopnosti odvodu tepla. Je běžný u křemíkových výkonových tranzistorů pro povrchovou montáž a je vhodný pro aplikace s vyšším výkonem. Vzhled je znázorněn na obrázku (b) níže.

SOT143 má čtyři krátké čepy ve tvaru křídla, které jsou vyvedeny z obou stran. Širší konec čepu je sběrač. Tento typ pouzdra je běžný u vysokofrekvenčních tranzistorů a jeho vzhled je znázorněn na obrázku (c) níže.

SOT252 je vysoce výkonný tranzistor se třemi piny vedoucími z jedné strany a prostřední pin je kratší a je kolektorem. Připojte k většímu kolíku na druhém konci, což je měděný plech pro odvod tepla, a jeho vzhled je znázorněn na obrázku (d) níže.

Porovnání vzhledu běžného balíčku SOT

Na základních deskách se běžně používá čtyřsvorkový MOSFET SOT-89. Jeho specifikace a rozměry jsou následující:

Specifikace velikosti MOSFET SOT-89 (jednotka: mm)

5. Balíček Small Outline Package (SOP)

SOP (Small Out-Line Package) je jeden z balíčků pro povrchovou montáž, nazývaný také SOL nebo DFP. Špendlíky jsou vytaženy z obou stran obalu ve tvaru racčích křídel (tvar L). Materiály jsou plast a keramika. Mezi standardy balení SOP patří SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 atd. Číslo za SOP udává počet kolíků. Většina pouzder MOSFET SOP přijímá specifikace SOP-8. Průmysl často vynechává „P“ a zkracuje jej jako SO (Small Out-Line).

Velikost balení SOP-8

SO-8 byl poprvé vyvinut společností PHILIP Company. Je zabalen v plastu, nemá spodní desku odvádějící teplo a má špatný odvod tepla. Obecně se používá pro MOSFETy s nízkým výkonem. Později byly postupně odvozeny standardní specifikace jako TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) atd.; mezi nimi se TSOP a TSSOP běžně používají v obalech MOSFET.

Specifikace odvozené od SOP běžně používané pro MOSFETy

6. Balíček Quad Flat (QFP)

Vzdálenost mezi kolíky čipu v pouzdru QFP (Plastic Quad Flat Package) je velmi malá a kolíky jsou velmi tenké. Obecně se používá ve velkých nebo ultravelkých integrovaných obvodech a počet pinů je obecně více než 100. Čipy zabalené v této podobě musí používat technologii povrchové montáže SMT k připájení čipu k základní desce. Tento způsob balení má čtyři hlavní charakteristiky: ① Je vhodný pro technologii povrchové montáže SMD pro instalaci kabeláže na desky plošných spojů; ② Je vhodný pro vysokofrekvenční použití; ③ Je snadno ovladatelný a má vysokou spolehlivost; ④ Poměr mezi plochou čipu a oblastí balení je malý. Stejně jako metoda balení PGA, tato metoda balení zabalí čip do plastového obalu a nemůže odvádět teplo generované, když čip pracuje včas. Omezuje zlepšení výkonu MOSFET; a samotný plastový obal zvětšuje rozměry zařízení, které nesplňuje požadavky na vývoj polovodičů ve směru lehké, tenké, krátké a malé. Kromě toho je tento typ způsobu balení založen na jediném čipu, což má problémy s nízkou efektivitou výroby a vysokými náklady na balení. Proto je QFP vhodnější pro použití v digitálních logických LSI obvodech, jako jsou mikroprocesory/hradlová pole, a je také vhodný pro balení produktů analogových LSI obvodů, jako je zpracování signálu VTR a zpracování audio signálu.

7、Quad flat package bez svodů (QFN)

Balení QFN (Quad Flat Non-leaded package) je vybaveno kontakty elektrod na všech čtyřech stranách. Protože zde nejsou žádné vývody, montážní plocha je menší než QFP a výška je nižší než QFP. Mezi nimi se keramický QFN také nazývá LCC (Leadless Chip Carriers) a nízkonákladový plastový QFN využívající základní materiál substrátu potištěný skleněnou epoxidovou pryskyřicí se nazývá plastový LCC, PCLC, P-LCC atd. Jedná se o nově vznikající obaly čipů pro povrchovou montáž technologie s malou velikostí podložky, malým objemem a plastem jako těsnícím materiálem. QFN se používá hlavně pro balení integrovaných obvodů a MOSFET nebude použit. Protože však Intel navrhl integrovaný ovladač a řešení MOSFET, spustil DrMOS v balíčku QFN-56 ("56" označuje 56 připojovacích kolíků na zadní straně čipu).

Je třeba poznamenat, že pouzdro QFN má stejnou konfiguraci externího vedení jako pouzdro ultratenkého malého obrysu (TSSOP), ale jeho velikost je o 62 % menší než u pouzdra TSSOP. Podle dat modelování QFN je jeho tepelný výkon o 55 % vyšší než u balení TSSOP a jeho elektrický výkon (indukčnost a kapacita) je o 60 % a 30 % vyšší než u balení TSSOP. Největší nevýhodou je, že se obtížně opravuje.

DrMOS v balení QFN-56

Tradiční diskrétní DC/DC step-down spínané zdroje nedokážou splnit požadavky na vyšší hustotu výkonu, ani vyřešit problém parazitních efektů parametrů při vysokých spínacích frekvencích. S inovacemi a pokrokem v technologii se stalo realitou integrace ovladačů a MOSFETů pro vytváření vícečipových modulů. Tento způsob integrace může ušetřit značné místo a zvýšit hustotu spotřeby energie. Díky optimalizaci ovladačů a MOSFETů se to stalo skutečností. Energetická účinnost a vysoce kvalitní stejnosměrný proud, to je integrovaný ovladač IC DrMOS.

Renesas DrMOS 2. generace

Díky bezolovnatému pouzdru QFN-56 je tepelná impedance DrMOS velmi nízká; s vnitřním propojením vodičů a designem měděné spony lze minimalizovat externí kabeláž PCB, čímž se sníží indukčnost a odpor. Kromě toho může použitý proces křemíkového MOSFET s hlubokým kanálem také významně snížit ztráty vedení, přepínání a hradla; je kompatibilní s řadou ovladačů, může dosáhnout různých provozních režimů a podporuje režim konverze aktivní fáze APS (Auto Phase Switching). Kromě balení QFN je novým elektronickým balicím procesem také bilaterální ploché bezolovnaté balení (DFN), které je široce používáno v různých součástech ON Semiconductor. Ve srovnání s QFN má DFN na obou stranách méně vývodných elektrod.

8、Plastový olovnatý nosič čipů (PLCC)

PLCC (Plastic Quad Flat Package) má čtvercový tvar a je mnohem menší než balení DIP. Má 32 kolíků s kolíky kolem dokola. Čepy jsou vyvedeny ze čtyř stran obalu do tvaru T. Jedná se o plastový výrobek. Středová vzdálenost kolíků je 1,27 mm a počet kolíků se pohybuje od 18 do 84. Čepy ve tvaru J se snadno nedeformují a jejich ovládání je snazší než u QFP, ale kontrola vzhledu po svařování je obtížnější. Obal PLCC je vhodný pro instalaci elektroinstalace na DPS pomocí technologie povrchové montáže SMT. Má výhody malých rozměrů a vysoké spolehlivosti. Balení PLCC je poměrně běžné a používá se v logických LSI, DLD (nebo programovém logickém zařízení) a dalších obvodech. Tato forma balení se často používá v BIOSech základních desek, ale v současné době je méně běžná v MOSFETech.

Zapouzdření a zlepšení pro běžné podniky

Vzhledem k trendu vývoje nízkého napětí a vysokého proudu v CPU se vyžaduje, aby MOSFETy měly velký výstupní proud, nízký odpor při zapnutí, nízkou tvorbu tepla, rychlý odvod tepla a malé rozměry. Kromě zdokonalování technologie a procesů výroby čipů pokračují výrobci MOSFET ve zdokonalování technologie balení. Na základě kompatibility se standardními specifikacemi vzhledu navrhují nové tvary obalů a registrují názvy ochranných známek pro nové obaly, které vyvíjejí.

1, balíčky RENESAS WPAK, LFPAK a LFPAK-I

WPAK je balíček s vysokým tepelným zářením vyvinutý společností Renesas. Napodobením pouzdra D-PAK je chladič čipu přivařen k základní desce a teplo je odváděno základní deskou, takže malé pouzdro WPAK může dosáhnout i výstupního proudu D-PAK. WPAK-D2 obsahuje dva vysoké/nízké MOSFETy pro snížení indukčnosti vedení.

Velikost balení Renesas WPAK

LFPAK a LFPAK-I jsou dva další malé balíčky form-factor vyvinuté společností Renesas, které jsou kompatibilní s SO-8. LFPAK je podobný D-PAK, ale menší než D-PAK. LFPAK-i umístí chladič nahoru, aby odváděl teplo skrz chladič.

Balíčky Renesas LFPAK a LFPAK-I

2. Balení Vishay Power-PAK a Polar-PAK

Power-PAK je název balíčku MOSFET registrovaný společností Vishay Corporation. Power-PAK obsahuje dvě specifikace: Power-PAK1212-8 a Power-PAK SO-8.

Balení Vishay Power-PAK1212-8

Balení Vishay Power-PAK SO-8

Polar PAK je malé balení s oboustranným odvodem tepla a je jednou ze základních balicích technologií Vishay. Polar PAK je stejný jako obyčejný balíček so-8. Má rozptylové body na horní i spodní straně obalu. Není snadné akumulovat teplo uvnitř obalu a může zvýšit proudovou hustotu pracovního proudu až na dvojnásobek oproti SO-8. V současné době společnost Vishay licencovala technologii Polar PAK společnosti STMicroelectronics.

Balíček Vishay Polar PAK

3. Balíčky plochého olova Onsemi SO-8 a WDFN8

ON Semiconductor vyvinul dva typy plochých MOSFETů, mezi nimiž řada desek používá ploché vývody kompatibilní se SO-8. Nově uvedené výkonové MOSFETy NVMx a NVTx společnosti ON Semiconductor využívají kompaktní balíčky DFN5 (SO-8FL) a WDFN8 k minimalizaci ztrát ve vedení. Vyznačuje se také nízkou QG a kapacitou pro minimalizaci ztrát ovladače.

ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package

Balíček ON Semiconductor WDFN8

4. Balení NXP LFPAK a QLPAK

NXP (dříve Philps) vylepšila technologii balení SO-8 na LFPAK a QLPAK. Mezi nimi je LFPAK považován za nejspolehlivější energetický balíček SO-8 na světě; zatímco QLPAK se vyznačuje malými rozměry a vyšší účinností odvodu tepla. Ve srovnání s běžným SO-8 zabírá QLPAK plochu PCB desky 6*5mm a má tepelný odpor 1,5k/W.

Balíček NXP LFPAK

Balení NXP QLPAK

4. Balíček ST Semiconductor PowerSO-8

Technologie balení výkonových MOSFET čipů STMicroelectronics zahrnují SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK atd. Mezi nimi je Power SO-8 vylepšená verze SO-8. Kromě toho existují balíčky PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 a další.

Balíček STMicroelectronics Power SO-8

5. Balíček Fairchild Semiconductor Power 56

Power 56 je exkluzivní název Farichild a jeho oficiální název je DFN5×6. Jeho obalová plocha je srovnatelná s běžně používaným TSOP-8 a tenké pouzdro šetří světlou výšku komponent a design Thermal-Pad ve spodní části snižuje tepelný odpor. Proto mnoho výrobců napájecích zařízení nasadilo DFN5×6.

Balíček Fairchild Power 56

6. Mezinárodní usměrňovač (IR) Direct FET balíček

Direct FET poskytuje účinné horní chlazení v rozměru SO-8 nebo menším a je vhodný pro aplikace AC-DC a DC-DC konverze napájení v počítačích, noteboocích, telekomunikacích a zařízeních spotřební elektroniky. Kovová konstrukce plechovky DirectFET poskytuje oboustranný odvod tepla, čímž efektivně zdvojnásobuje současné manipulační schopnosti vysokofrekvenčních DC-DC buck měničů ve srovnání se standardními plastovými diskrétními obaly. Pouzdro Direct FET je typu s reverzní montáží, s odtokovým (D) chladičem směrem nahoru a pokrytým kovovým pláštěm, přes který je teplo odváděno. Přímé FET balení výrazně zlepšuje odvod tepla a zabírá méně místa s dobrým odvodem tepla.

Shrnout

V budoucnu, jak se průmysl elektronické výroby nadále vyvíjí směrem k ultratenkým, miniaturizačním, nízkonapěťovým a vysokoproudým, změní se také vzhled a vnitřní obalová struktura MOSFET, aby se lépe přizpůsobily vývojovým potřebám výroby. průmysl. Kromě toho, aby se snížil práh výběru pro výrobce elektroniky, bude trend vývoje MOSFET ve směru modularizace a balení na systémové úrovni stále zřetelnější a produkty se budou vyvíjet koordinovaným způsobem z různých dimenzí, jako je výkon a cena. . Balíček je jedním z důležitých referenčních faktorů pro výběr MOSFET. Různé elektronické produkty mají různé elektrické požadavky a různá instalační prostředí také vyžadují odpovídající specifikace velikosti. Při skutečném výběru by se mělo rozhodovat podle skutečných potřeb podle obecného principu. Některé elektronické systémy jsou omezeny velikostí desky plošných spojů a vnitřní výškou. Například modulové napájecí zdroje komunikačních systémů obvykle používají pouzdra DFN5*6 a DFN3*3 z důvodu omezení výšky; v některých ACDC napájecích zdrojích jsou ultratenké konstrukce nebo kvůli omezením pláště vhodné pro montáž MOSFETů TO220. V tomto okamžiku lze kolíky zasunout přímo do kořene, což není vhodné pro balené produkty TO247; některé ultratenké konstrukce vyžadují, aby byly kolíky zařízení ohnuty a položeny naplocho, což zvýší složitost výběru MOSFET.

Jak vybrat MOSFET

Jeden inženýr mi jednou řekl, že se nikdy nepodíval na první stránku datového listu MOSFET, protože „praktické“ informace se objevily pouze na druhé stránce a dále. Prakticky každá stránka na datovém listu MOSFET obsahuje cenné informace pro designéry. Ale není vždy jasné, jak interpretovat údaje poskytnuté výrobci.

Tento článek nastiňuje některé klíčové specifikace MOSFETů, jak jsou uvedeny v datovém listu a jasný obrázek, který potřebujete, abyste jim porozuměli. Jako většina elektronických zařízení jsou MOSFETy ovlivněny provozní teplotou. Je tedy důležité porozumět testovacím podmínkám, za kterých jsou zmíněné indikátory aplikovány. Je také důležité porozumět tomu, zda indikátory, které vidíte v „Úvodu produktu“, jsou „maximální“ nebo „typické“ hodnoty, protože některé datové listy to jasně neuvádějí.

Stupeň napětí

Primární charakteristika, která určuje MOSFET, je jeho napětí kolektor-zdroj VDS, neboli „průrazné napětí odvodňovacího zdroje“, což je nejvyšší napětí, kterému MOSFET vydrží bez poškození, když je brána zkratována ke zdroji a svodový proud. je 250μA. . VDS se také nazývá „absolutní maximální napětí při 25 °C“, ale je důležité si uvědomit, že toto absolutní napětí je závislé na teplotě a v datovém listu je obvykle uveden „teplotní koeficient VDS“. Musíte také pochopit, že maximální VDS je stejnosměrné napětí plus jakékoli napěťové špičky a zvlnění, které mohou být přítomny v obvodu. Pokud například používáte 30V zařízení na 30V zdroji s 100mV, 5ns špičkou, napětí překročí absolutní maximální limit zařízení a zařízení může přejít do lavinového režimu. V tomto případě nelze zaručit spolehlivost MOSFETu. Při vysokých teplotách může teplotní koeficient výrazně změnit průrazné napětí. Například některé N-kanálové MOSFETy s jmenovitým napětím 600 V mají kladný teplotní koeficient. Jakmile se přiblíží své maximální teplotě přechodu, teplotní koeficient způsobí, že se tyto MOSFETy chovají jako 650V MOSFETy. Mnoho návrhových pravidel uživatelů MOSFET vyžaduje faktor snížení 10 % až 20 %. U některých návrhů, vezmeme-li v úvahu, že skutečné průrazné napětí je o 5 % až 10 % vyšší než jmenovitá hodnota při 25 °C, bude ke skutečnému návrhu přidána odpovídající užitečná návrhová rezerva, což je pro návrh velmi výhodné. Stejně důležité pro správný výběr tranzistorů MOSFET je pochopení role hradlového napětí VGS během procesu vedení. Toto napětí je napětí, které zajišťuje plnou vodivost MOSFETu za dané maximální podmínky RDS (zapnuto). Z tohoto důvodu je odpor při zapnutí vždy vztažen k úrovni VGS a pouze při tomto napětí lze zařízení zapnout. Důležitým konstrukčním důsledkem je, že nemůžete MOSFET plně zapnout s napětím nižším, než je minimální VGS použité k dosažení hodnocení RDS(on). Chcete-li například plně zapnout MOSFET pomocí 3,3V mikrokontroléru, musíte být schopni zapnout MOSFET při VGS=2,5V nebo nižším.

Odpor, nabíjení brány a „číslo za zásluhy“

Odpor při zapnutí MOSFETu je vždy určen při jednom nebo více napětích mezi hradlem a zdrojem. Maximální limit RDS(on) může být o 20 % až 50 % vyšší než typická hodnota. Maximální limit RDS(on) se obvykle vztahuje na hodnotu při teplotě přechodu 25°C. Při vyšších teplotách se RDS(on) může zvýšit o 30% až 150%, jak je znázorněno na obrázku 1. Protože RDS(on) se mění s teplotou a nelze zaručit minimální hodnotu odporu, není detekce proudu na základě RDS(on) velmi přesná metoda.

Obrázek 1 RDS(on) se zvyšuje s teplotou v rozsahu 30 % až 150 % maximální provozní teploty

On-odpor je velmi důležitý jak pro N-kanálový, tak pro P-kanálový MOSFET. V spínaných zdrojích je Qg klíčovým kritériem výběru pro N-kanálové MOSFETy používané v spínaných zdrojích, protože Qg ovlivňuje spínací ztráty. Tyto ztráty mají dva účinky: jedním je doba sepnutí, která ovlivňuje zapnutí a vypnutí MOSFET; druhá je energie potřebná k nabití kapacity hradla během každého spínacího procesu. Jedna věc, kterou je třeba mít na paměti, je, že Qg závisí na napětí zdroje brány, i když použití nižšího Vgs snižuje spínací ztráty. Jako rychlý způsob srovnání MOSFETů určených pro použití ve spínacích aplikacích návrháři často používají singulární vzorec sestávající z RDS(on) pro ztráty ve vedení a Qg pro ztráty při spínání: RDS(on)xQg. Tento „údaj za zásluhy“ (FOM) shrnuje výkon zařízení a umožňuje porovnat MOSFETy z hlediska typických nebo maximálních hodnot. Chcete-li zajistit přesné srovnání mezi zařízeními, musíte se ujistit, že pro RDS(on) a Qg je použit stejný VGS a že se v publikaci náhodou nesměšují typické a maximální hodnoty. Nižší FOM vám poskytne lepší výkon při přepínání aplikací, ale není to zaručeno. Nejlepší výsledky srovnání lze získat pouze ve skutečném obvodu a v některých případech může být nutné obvod pro každý MOSFET jemně doladit. Jmenovitý proud a ztrátový výkon, založené na různých testovacích podmínkách, má většina MOSFETů v datovém listu jeden nebo více trvalých odběrových proudů. Budete si chtít pečlivě prohlédnout datový list, abyste zjistili, zda je jmenovitý výkon při specifikované teplotě pouzdra (např. TC=25°C) nebo okolní teplotě (např. TA=25°C). Která z těchto hodnot je nejrelevantnější bude záviset na vlastnostech zařízení a aplikaci (viz obrázek 2).

Obrázek 2 Všechny absolutní hodnoty maximálního proudu a výkonu jsou skutečné údaje

U malých zařízení pro povrchovou montáž používaných v ručních zařízeních může být nejrelevantnější úroveň proudu při okolní teplotě 70 °C. U velkých zařízení s chladiči a nuceným chlazením vzduchem může být aktuální úroveň při TA=25℃ blíže skutečné situaci. U některých zařízení může matrice při své maximální teplotě přechodu zpracovat více proudu, než je limit pro balení. V některých datových listech je tato „omezená“ aktuální úroveň doplňkovou informací k aktuální úrovni „omezená paketem“, která vám může poskytnout představu o robustnosti nástroje. Podobné úvahy platí pro kontinuální ztrátový výkon, který závisí nejen na teplotě, ale také na čase. Představte si zařízení pracující nepřetržitě při PD=4W po dobu 10 sekund při TA=70℃. Co představuje „nepřetržité“ časové období se bude lišit v závislosti na balíčku MOSFET, takže budete chtít použít graf normalizované tepelné přechodové impedance z datového listu, abyste viděli, jak vypadá ztrátový výkon po 10 sekundách, 100 sekundách nebo 10 minutách. . Jak je znázorněno na obrázku 3, koeficient tepelného odporu tohoto specializovaného zařízení po 10sekundovém pulzu je přibližně 0,33, což znamená, že jakmile obal dosáhne tepelného nasycení přibližně po 10 minutách, kapacita zařízení pro odvod tepla je pouze 1,33 W namísto 4 W . I když kapacita odvodu tepla zařízení může při dobrém chlazení dosáhnout asi 2W.

Obrázek 3 Tepelný odpor MOSFETu při použití napájecího impulsu

Ve skutečnosti můžeme rozdělit, jak vybrat MOSFET do čtyř kroků.

První krok: vyberte N kanál nebo P kanál

Prvním krokem při výběru správného zařízení pro váš návrh je rozhodnutí, zda použít N-kanálový nebo P-kanálový MOSFET. V typické energetické aplikaci, když je MOSFET připojen k zemi a zátěž je připojena k síťovému napětí, MOSFET tvoří spínač na nízké straně. V přepínači na nízké straně by měly být použity N-kanálové MOSFETy kvůli zvážení napětí potřebného k vypnutí nebo zapnutí zařízení. Když je MOSFET připojen ke sběrnici a zátěži k zemi, použije se přepínač na vysoké straně. V této topologii se obvykle používají P-kanálové MOSFETy, což je také způsobeno úvahami o napěťovém pohonu. Chcete-li vybrat správné zařízení pro vaši aplikaci, musíte určit napětí potřebné k pohonu zařízení a nejjednodušší způsob, jak to udělat ve vašem návrhu. Dalším krokem je určení požadovaného jmenovitého napětí nebo maximálního napětí, které zařízení vydrží. Čím vyšší je jmenovité napětí, tím vyšší je cena zařízení. Podle praktických zkušeností by jmenovité napětí mělo být větší než napětí sítě nebo napětí sběrnice. To zajistí dostatečnou ochranu, aby MOSFET neselhal. Při výběru MOSFETu je nutné určit maximální napětí, které lze tolerovat od kolektoru ke zdroji, tedy maximální VDS. Je důležité vědět, že maximální napětí, které MOSFET vydrží, se mění s teplotou. Konstruktéři musí testovat změny napětí v celém rozsahu provozních teplot. Jmenovité napětí musí mít dostatečnou rezervu k pokrytí tohoto variačního rozsahu, aby bylo zajištěno, že obvod neselže. Mezi další bezpečnostní faktory, které musí konstruktéři vzít v úvahu, patří napěťové přechody indukované spínací elektronikou, jako jsou motory nebo transformátory. Jmenovité napětí se liší pro různé aplikace; typicky 20V pro přenosná zařízení, 20-30V pro napájecí zdroje FPGA a 450-600V pro aplikace 85-220VAC.

Krok 2: Určete jmenovitý proud

Druhým krokem je výběr aktuálního hodnocení MOSFETu. V závislosti na konfiguraci obvodu by tento jmenovitý proud měl být maximálním proudem, který zátěž za všech okolností vydrží. Podobně jako u napěťové situace musí konstruktér zajistit, aby vybraný MOSFET vydržel tento jmenovitý proud, i když systém generuje proudové špičky. Dvě zvažované aktuální podmínky jsou nepřetržitý režim a pulzní špička. V režimu kontinuálního vedení je MOSFET v ustáleném stavu, kdy proud prochází zařízením nepřetržitě. Impulsní špička označuje velký ráz (nebo špičatý proud) protékající zařízením. Jakmile je stanoven maximální proud za těchto podmínek, jde jednoduše o výběr zařízení, které tento maximální proud zvládne. Po volbě jmenovitého proudu je třeba vypočítat i ztrátu vedení. Ve skutečných situacích není MOSFET ideálním zařízením, protože během procesu vedení dochází ke ztrátě elektrické energie, což se nazývá ztráta vedení. MOSFET se chová jako proměnný rezistor, když je "zapnut", což je určeno RDS(ON) zařízení a výrazně se mění s teplotou. Ztrátu výkonu zařízení lze vypočítat pomocí Iload2×RDS(ON). Protože se odpor při zapnutí mění s teplotou, bude se úměrně měnit i ztráta výkonu. Čím vyšší je napětí VGS aplikované na MOSFET, tím menší bude RDS(ON); naopak, čím vyšší bude RDS(ON). Pro projektanta systému to je místo, kde přicházejí kompromisy v závislosti na napětí systému. Pro přenosná provedení je snazší (a běžnější) použít nižší napětí, zatímco u průmyslových provedení lze použít vyšší napětí. Všimněte si, že odpor RDS(ON) s proudem mírně vzroste. Odchylky různých elektrických parametrů rezistoru RDS(ON) lze nalézt v technickém listu poskytnutém výrobcem. Technologie má významný vliv na vlastnosti zařízení, protože některé technologie mají tendenci zvyšovat RDS(ON) při zvýšení maximální VDS. U takové technologie, pokud máte v úmyslu snížit VDS a RDS(ON), musíte zvětšit velikost čipu, čímž se zvýší odpovídající velikost balíčku a související náklady na vývoj. V tomto odvětví existuje několik technologií, které se snaží kontrolovat nárůst velikosti čipu, z nichž nejdůležitější jsou technologie pro vyrovnávání kanálů a náboje. V technologii příkopů je do plátku zapuštěn hluboký příkop, obvykle vyhrazený pro nízké napětí, aby se snížil odpor RDS(ON). Aby se snížil dopad maximálního VDS na RDS(ON), byl během procesu vývoje použit proces epitaxní růstové kolony/leptací kolony. Například Fairchild Semiconductor vyvinul technologii nazvanou SuperFET, která přidává další výrobní kroky pro redukci RDS(ON). Toto zaměření na RDS(ON) je důležité, protože jak se průrazné napětí standardního MOSFETu zvyšuje, RDS(ON) roste exponenciálně a vede ke zvětšení velikosti matrice. Proces SuperFET mění exponenciální vztah mezi RDS(ON) a velikostí waferu na lineární vztah. Tímto způsobem mohou zařízení SuperFET dosáhnout ideální nízké RDS(ON) v malých velikostech matrice, a to i při průrazném napětí až 600V. Výsledkem je, že velikost plátku lze zmenšit až o 35 %. Pro koncové uživatele to znamená výrazné snížení velikosti balíku.

Krok tři: Stanovte tepelné požadavky

Dalším krokem při výběru MOSFETu je výpočet tepelných požadavků systému. Návrháři musí vzít v úvahu dva různé scénáře, nejhorší scénář a scénář reálného světa. Doporučuje se použít výsledek výpočtu nejhoršího případu, protože tento výsledek poskytuje větší bezpečnostní rezervu a zajišťuje, že systém neselže. V datovém listu MOSFET jsou také některá naměřená data, která vyžadují pozornost; jako je tepelný odpor mezi polovodičovým přechodem zabaleného zařízení a okolím a maximální teplota přechodu. Teplota přechodu zařízení je rovna maximální okolní teplotě plus součinu tepelného odporu a ztrátového výkonu (teplota přechodu = maximální teplota okolí + [tepelný odpor × ztrátový výkon]). Podle této rovnice lze vyřešit maximální ztrátový výkon systému, který se z definice rovná I2×RDS(ON). Protože konstruktér určil maximální proud, který zařízením projde, lze RDS(ON) vypočítat při různých teplotách. Stojí za zmínku, že když se zabýváme jednoduchými tepelnými modely, musí konstruktéři zvážit také tepelnou kapacitu polovodičového přechodu/skříně zařízení a skříně/prostředí; to vyžaduje, aby se deska s plošnými spoji a obal okamžitě nezahřívaly. Lavinový průraz znamená, že zpětné napětí na polovodičovém zařízení překročí maximální hodnotu a vytvoří silné elektrické pole pro zvýšení proudu v zařízení. Tento proud rozptýlí energii, zvýší teplotu zařízení a případně zařízení poškodí. Polovodičové společnosti budou provádět lavinové testování zařízení, vypočítat jejich lavinové napětí nebo testovat robustnost zařízení. Existují dvě metody pro výpočet jmenovitého lavinové napětí; jedna je statistická metoda a druhá je tepelný výpočet. Tepelný výpočet je široce používán, protože je praktičtější. Mnoho společností poskytlo podrobnosti o testování svých zařízení. Fairchild Semiconductor například poskytuje „Pokyny pro lavinu výkonových MOSFET“ (Pokyny pro lavinu výkonových MOSFET – lze stáhnout z webu Fairchild). Velký vliv na lavinový efekt má kromě výpočetní techniky také technologie. Například zvětšení velikosti matrice zvyšuje odolnost proti lavině a v konečném důsledku zvyšuje robustnost zařízení. Pro koncové uživatele to znamená použití větších balíků v systému.

Krok 4: Určete výkon přepínače

Posledním krokem při výběru MOSFETu je určení spínacího výkonu MOSFETu. Existuje mnoho parametrů, které ovlivňují spínací výkon, ale nejdůležitější jsou kapacita hradla/odvodu, hradla/zdroje a vypouštění/zdroje. Tyto kondenzátory vytvářejí spínací ztráty v zařízení, protože se nabíjejí při každém sepnutí. Rychlost spínání MOSFETu je proto snížena a účinnost zařízení je rovněž snížena. Pro výpočet celkových ztrát v zařízení při spínání musí konstruktér vypočítat ztráty při zapnutí (Eon) a ztráty při vypnutí (Eoff). Celkový výkon MOSFET spínače lze vyjádřit následující rovnicí: Psw=(Eon+Eoff)×spínací frekvence. Na spínací výkon má největší vliv hradlový náboj (Qgd). Na základě důležitosti výkonu přepínání se neustále vyvíjejí nové technologie, které tento problém přepínání řeší. Zvětšení velikosti čipu zvyšuje náboj brány; tím se zvětší velikost zařízení. Aby se snížily ztráty při přepínání, objevily se nové technologie, jako je oxidace dna tlustého kanálu, jejichž cílem je snížit náboj hradla. Například nová technologie SuperFET může minimalizovat ztráty ve vedení a zlepšit spínací výkon snížením RDS(ON) a hradlového náboje (Qg). MOSFETy si tak dokážou poradit s vysokorychlostními napěťovými přechody (dv/dt) a proudovými přechody (di/dt) během spínání a mohou spolehlivě fungovat i při vyšších spínacích frekvencích.