Krafthalvlederenheter er mye brukt i industri, forbruk, militære og andre felt, og har en høy strategisk posisjon. La oss ta en titt på det generelle bildet av strømenheter fra et bilde:
Krafthalvlederenheter kan deles inn i full type, semi-kontrollert type og ikke-kontrollerbar type i henhold til graden av kontroll av kretssignaler. Eller i henhold til signalegenskapene til drivkretsen, kan den deles inn i spenningsdrevet type, strømdrevet type, etc.
| Klassifikasjon | type | Spesifikke krafthalvlederenheter |
| Kontrollerbarhet av elektriske signaler | Halvkontrollert type | SCR |
| Full kontroll | GTO, GTR, MOSFET, IGBT | |
| Ustyrlig | Strømdiode | |
| Kjøresignalegenskaper | Spenningsdrevet type | IGBT, MOSFET, SITH |
| Nåværende drevet type | SCR, GTO, GTR | |
| Effektiv signalbølgeform | Type pulsutløser | SCR, GTO |
| Elektronisk kontrolltype | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situasjoner der strømførende elektroner deltar | bipolar enhet | Power Diode, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Unipolar enhet | MOSFET, SIT | |
| Sammensatt enhet | MCT, IGBT, SITH og IGCT |
Ulike krafthalvlederenheter har forskjellige egenskaper som spenning, strømkapasitet, impedansevne og størrelse. Ved faktisk bruk må passende enheter velges i henhold til ulike felt og behov.
Halvlederindustrien har gått gjennom tre generasjoner med materielle endringer siden fødselen. Til nå er det første halvledermaterialet representert av Si fortsatt hovedsakelig brukt innen krafthalvlederenheter.
| Halvledermateriale | Bandgap (eV) | Smeltepunkt (K) | hovedapplikasjon | |
| 1. generasjons halvledermaterialer | Ge | 1.1 | 1221 | Lavspenning, lavfrekvente, middels krafttransistorer, fotodetektorer |
| 2. generasjons halvledermaterialer | Si | 0,7 | 1687 | |
| 3. generasjons halvledermaterialer | GaAs | 1.4 | 1511 | Mikrobølgeovn, millimeterbølgeenheter, lysemitterende enheter |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Høytemperatur-, høyfrekvente, strålingsbestandige høyeffektsenheter 2. Blå, gradert, fiolette lysdioder, halvlederlasere | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | ＞3800 | ||
| ZnO | 3,37 | 2248 | ||
Oppsummer egenskapene til semi-kontrollerte og fullt kontrollerte kraftenheter:
| Enhetstype | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Kontrolltype | Pulstrigger | Gjeldende kontroll | spenningskontroll | filmsenter |
| selvutkoblingslinje | Avslutning av kommutering | selvslående enhet | selvslående enhet | selvslående enhet |
| arbeidsfrekvens | ＜1 khz | ＜30 khz | 20 kHz-Mhz | ＜40 khz |
| Drivkraft | liten | stor | liten | liten |
| byttetap | stor | stor | stor | stor |
| ledningstap | liten | liten | stor | liten |
| Spenning og strømnivå | 最大 | stor | minimum | flere |
| Typiske bruksområder | Middels frekvens induksjonsoppvarming | UPS frekvensomformer | bytte strømforsyning | UPS frekvensomformer |
| pris | laveste | senke | i midten | Den dyreste |
| konduktansmodulasjonseffekt | ha | ha | ingen | ha |
Bli kjent med MOSFET-er
MOSFET har høy inngangsimpedans, lav støy og god termisk stabilitet; den har en enkel produksjonsprosess og sterk stråling, så den brukes vanligvis i forsterkerkretser eller byttekretser;
(1) Hovedvalgparametere: drain-source spenning VDS (motstå spenning), ID kontinuerlig lekkasjestrøm, RDS(on) on-resistance, Ciss inngangskapasitans (junction kapasitans), kvalitetsfaktor FOM=Ron*Qg, etc.
(2) I henhold til forskjellige prosesser er den delt inn i TrenchMOS: grøft MOSFET, hovedsakelig i lavspenningsfeltet innenfor 100V; SGT (Split Gate) MOSFET: split gate MOSFET, hovedsakelig i mellom- og lavspenningsfeltet innenfor 200V; SJ MOSFET: super junction MOSFET, hovedsakelig i høyspenningsfeltet 600-800V;
I en vekslende strømforsyning, for eksempel en åpen avløpskrets, er avløpet koblet til lasten intakt, som kalles et åpent avløp. I en åpen avløpskrets, uansett hvor høy spenning lasten er tilkoblet, kan laststrømmen slås av og på. Det er en ideell analog svitsjingsenhet. Dette er prinsippet for MOSFET som en svitsjingsenhet.
Når det gjelder markedsandeler, er nesten alle MOSFET-er konsentrert i hendene på store internasjonale produsenter. Blant dem kjøpte Infineon IR (American International Rectifier Company) i 2015 og ble bransjeleder. ON Semiconductor fullførte også oppkjøpet av Fairchild Semiconductor i september 2016. , markedsandelen hoppet til andreplass, og deretter var salgsrangeringene Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna, etc.;
Mainstream MOSFET-merker er delt inn i flere serier: amerikanske, japanske og koreanske.
Amerikanske serier: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS, etc.;
Japansk: Toshiba, Renesas, ROHM, etc.;
Koreanske serier: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
MOSFET-pakkekategorier
I henhold til måten den er installert på PCB-kortet, er det to hovedtyper MOSFET-pakker: plug-in (gjennom hull) og overflatemontering (overflatemontering). .
Plug-in-typen betyr at pinnene på MOSFET-en går gjennom monteringshullene på PCB-kortet og sveises til PCB-kortet. Vanlige plug-in-pakker inkluderer: dual in-line-pakke (DIP), transistor outline-pakke (TO) og pin grid array-pakke (PGA).
Plug-in emballasje
Overflatemontering er der MOSFET-pinnene og varmeavledningsflensen er sveiset til putene på overflaten av PCB-kortet. Typiske overflatemonteringspakker inkluderer: transistorkontur (D-PAK), liten konturtransistor (SOT), liten konturpakke (SOP), quad flat pakke (QFP), blyholdig plastbrikkebærer (PLCC), etc.
overflatemonteringspakke
Med utviklingen av teknologien bruker PCB-kort som hovedkort og grafikkort i dag mindre og mindre direkte plug-in-emballasje, og mer overflatemontert emballasje brukes.
1. Dual in-line pakke (DIP)
DIP-pakken har to rader med pinner og må settes inn i en chip-sokkel med DIP-struktur. Dens utledningsmetode er SDIP (Shrink DIP), som er en krympe-dobbelt-i-linje-pakke. Stifttettheten er 6 ganger høyere enn for DIP.
DIP-emballasjestruktur inkluderer: flerlags keramisk dual-in-line DIP, enkeltlags keramisk dual-in-line DIP, blyramme DIP (inkludert glasskeramisk forseglingstype, plastinnkapslingsstrukturtype, keramisk lavsmeltende glassinnkapsling type) osv. Det karakteristiske ved DIP-emballasje er at den enkelt kan realisere gjennomhullsveising av PCB-kort og har god kompatibilitet med hovedkortet.
Imidlertid, fordi emballasjeområdet og tykkelsen er relativt store, og pinnene lett blir skadet under plugging og frakobling, er påliteligheten dårlig. På samme tid, på grunn av prosessens påvirkning, overstiger antallet pinner generelt ikke 100. Derfor, i prosessen med høy integrasjon av den elektroniske industrien, har DIP-emballasje gradvis trukket seg tilbake fra historiens stadium.
2. Transistor Outline Package (TO)
Tidlige emballasjespesifikasjoner, som TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 osv. er alle plug-in-emballasjedesign.
TO-3P/247: Det er en vanlig pakkeform for MOSFET-er med middels høy spenning og høy strøm. Produktet har egenskapene til høy motstandsspenning og sterk sammenbruddsmotstand. ?
TO-220/220F: TO-220F er en hel plastpakke, og det er ikke nødvendig å legge til en isolerende pute når du installerer den på en radiator; TO-220 har en metallplate koblet til den midterste pinnen, og det kreves en isolasjonspute ved montering av radiatoren. MOSFET-ene til disse to pakkestilene har lignende utseende og kan brukes om hverandre. ?
TO-251: Dette pakkede produktet brukes hovedsakelig for å redusere kostnader og redusere produktstørrelsen. Den brukes hovedsakelig i miljøer med middels spenning og høy strøm under 60A og høy spenning under 7N. ?
TO-92: Denne pakken brukes kun for lavspent MOSFET (strøm under 10A, tåler spenning under 60V) og høyspent 1N60/65, for å redusere kostnadene.
De siste årene har etterspørselen i overflatemonteringsmarkedet fortsatt å øke, på grunn av de høye sveisekostnadene for plug-in-emballasjeprosessen og dårligere varmeavledningsytelse til patch-type produkter, noe som også har ført til utviklingen av TO-emballasje. inn i overflatemontert emballasje.
TO-252 (også kalt D-PAK) og TO-263 (D2PAK) er begge overflatemonteringspakker.。
TO-pakke produktets utseende
TO252/D-PAK er en plastbrikkepakke, som vanligvis brukes til å pakke krafttransistorer og spenningsstabiliserende brikker. Det er en av de nåværende mainstream-pakkene. MOSFET-en som bruker denne pakkemetoden har tre elektroder, gate (G), drain (D) og source (S). Dreneringspinnen (D) er kuttet av og ikke brukt. I stedet brukes kjøleribben på baksiden som sluk (D), som er direkte sveiset til PCB. På den ene siden brukes den til å sende ut store strømmer, og på den andre siden sprer den varme gjennom PCB. Derfor er det tre D-PAK-puter på kretskortet, og dreneringsputen (D) er større. Dens emballasjespesifikasjoner er som følger:
TO-252/D-PAK pakkestørrelsesspesifikasjoner
TO-263 er en variant av TO-220. Den er hovedsakelig designet for å forbedre produksjonseffektiviteten og varmespredningen. Den støtter ekstremt høy strøm og spenning. Det er mer vanlig i mellomspennings høystrøms MOSFET-er under 150A og over 30V. I tillegg til D2PAK (TO-263AB), inkluderer den også TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 og andre stiler, som er underordnet TO-263, hovedsakelig på grunn av forskjellig antall og avstand til pinner .
TO-263/D2PAK pakkestørrelsesspesifikasjons
3. Pin grid array package (PGA)
Det er flere firkantede array-pinner inni og utenfor PGA-brikken (Pin Grid Array Package). Hver firkantet array-pinne er arrangert i en viss avstand rundt brikken. Avhengig av antall pinner, kan den formes til 2 til 5 sirkler. Under installasjonen er det bare å sette brikken inn i den spesielle PGA-kontakten. Den har fordelene med enkel til- og frakobling og høy pålitelighet, og kan tilpasse seg høyere frekvenser.
PGA-pakkestil
De fleste av chipsubstratene er laget av keramisk materiale, og noen bruker spesiell plastharpiks som underlag. Når det gjelder teknologi, er pinnesenteravstanden vanligvis 2,54 mm, og antall pinner varierer fra 64 til 447. Karakteristikken for denne typen emballasje er at jo mindre emballasjeareal (volum), jo lavere strømforbruk (ytelse) ) den tåler, og omvendt. Denne pakkestilen med brikker var mer vanlig i de tidlige dagene, og ble mest brukt til å pakke produkter med høyt strømforbruk som CPUer. For eksempel bruker Intels 80486 og Pentium alle denne pakkestilen; det er ikke mye brukt av MOSFET-produsenter.
4. Small Outline Transistor Package (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) er en patch-type liten krafttransistorpakke, hovedsakelig inkludert SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (dvs. SOT23-5), etc. SOT323, SOT363/SOT26 (dvs. SOT23-6) og andre typer er avledet, som er mindre i størrelse enn TO-pakker.
SOT-pakketype
SOT23 er en ofte brukt transistorpakke med tre vingeformede pinner, nemlig kollektor, emitter og base, som er oppført på begge sider av langsiden av komponenten. Blant dem er emitteren og basen på samme side. De er vanlige i laveffekttransistorer, felteffekttransistorer og kompositttransistorer med motstandsnettverk. De har god styrke, men dårlig loddeevne. Utseendet er vist i figur (a) nedenfor.
SOT89 har tre korte pinner fordelt på den ene siden av transistoren. Den andre siden er en kjøleribbe av metall koblet til basen for å øke varmeavledningsevnen. Det er vanlig i overflatemonterte silisiumtransistorer og er egnet for applikasjoner med høyere effekt. Utseendet er vist i figur (b) nedenfor. ?
SOT143 har fire korte vingeformede tapper, som føres ut fra begge sider. Den bredere enden av pinnen er samleren. Denne typen pakke er vanlig i høyfrekvente transistorer, og utseendet er vist i figur (c) nedenfor. ?
SOT252 er en høyeffekttransistor med tre pinner som leder fra den ene siden, og den midterste pinnen er kortere og er kollektoren. Koble til den større pinnen i den andre enden, som er en kobberplate for varmeavledning, og dens utseende er som vist i figur (d) nedenfor.
Vanlig SOT-pakkeutseendesammenligning
Den fire-terminale SOT-89 MOSFET brukes ofte på hovedkort. Dens spesifikasjoner og dimensjoner er som følger:
SOT-89 MOSFET størrelsesspesifikasjoner (enhet: mm)
5. Small Outline Package (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) er en av overflatemonteringspakkene, også kalt SOL eller DFP. Pinnene trekkes ut fra begge sider av pakken i en måkevingeform (L-form). Materialene er plast og keramikk. SOP-emballasjestandarder inkluderer SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 osv. Tallet etter SOP angir antall pinner. De fleste MOSFET SOP-pakker bruker SOP-8-spesifikasjoner. Bransjen utelater ofte "P" og forkorter det som SO (Small Out-Line).
SOP-8 pakkestørrelse
SO-8 ble først utviklet av PHILIP Company. Den er pakket i plast, har ingen varmeavledningsbunnplate og har dårlig varmeavledning. Den brukes vanligvis til MOSFET-er med lav effekt. Senere ble standardspesifikasjoner som TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) osv. gradvis avledet; blant dem er TSOP og TSSOP ofte brukt i MOSFET-emballasje.
SOP-avledede spesifikasjoner som vanligvis brukes for MOSFET-er
6. Quad Flat Package (QFP)
Avstanden mellom chippinner i QFP (Plastic Quad Flat Package)-pakken er veldig liten og pinnene er veldig tynne. Det brukes vanligvis i storskala eller ultrastore integrerte kretser, og antall pinner er generelt mer enn 100. Chips pakket i denne formen må bruke SMT overflatemonteringsteknologi for å lodde brikken til hovedkortet. Denne pakkemetoden har fire hovedegenskaper: ① Den er egnet for SMD overflatemonteringsteknologi for å installere ledninger på PCB-kretskort; ② Den er egnet for høyfrekvent bruk; ③ Den er enkel å betjene og har høy pålitelighet; ④ Forholdet mellom brikkeområdet og emballasjeområdet er lite. I likhet med PGA-pakkemetoden, pakker denne pakkemetoden inn brikken i en plastpakke og kan ikke spre varmen som genereres når brikken fungerer i tide. Det begrenser forbedringen av MOSFET-ytelsen; og selve plastemballasjen øker størrelsen på enheten, som ikke oppfyller kravene til utvikling av halvledere i retning av å være lett, tynn, kort og liten. I tillegg er denne typen emballasjemetode basert på en enkelt brikke, som har problemer med lav produksjonseffektivitet og høy emballasjekostnad. Derfor er QFP mer egnet for bruk i digitale logiske LSI-kretser som mikroprosessorer/gatearrayer, og er også egnet for pakking av analoge LSI-kretsprodukter som VTR-signalbehandling og lydsignalbehandling.
7, Quad flat pakke uten ledninger (QFN)
QFN-pakken (Quad Flat Non-leaded package) er utstyrt med elektrodekontakter på alle fire sider. Siden det ikke er noen ledninger, er monteringsområdet mindre enn QFP og høyden er lavere enn QFP. Blant dem kalles keramisk QFN også LCC (Leadless Chip Carriers), og lavkost plast QFN som bruker glass epoksyharpiks trykt underlagsmateriale kalles plast LCC, PCLC, P-LCC, etc. Det er en fremvoksende overflatemontert brikkeemballasje. teknologi med liten putestørrelse, lite volum og plast som tetningsmateriale. QFN brukes hovedsakelig til integrert kretspakking, og MOSFET vil ikke bli brukt. Men fordi Intel foreslo en integrert driver og MOSFET-løsning, lanserte den DrMOS i en QFN-56-pakke ("56" refererer til de 56 tilkoblingspinnene på baksiden av brikken).
Det skal bemerkes at QFN-pakken har samme eksterne ledningskonfigurasjon som den ultratynne small outline-pakken (TSSOP), men størrelsen er 62 % mindre enn TSSOP. I følge QFN-modelleringsdata er dens termiske ytelse 55 % høyere enn for TSSOP-emballasje, og dens elektriske ytelse (induktans og kapasitans) er henholdsvis 60 % og 30 % høyere enn TSSOP-emballasje. Den største ulempen er at den er vanskelig å reparere.
DrMOS i QFN-56-pakken
Tradisjonelle diskrete DC/DC step-down svitsjestrømforsyninger kan ikke oppfylle kravene til høyere effekttetthet, og de kan heller ikke løse problemet med parasittiske parametereffekter ved høye svitsjefrekvenser. Med innovasjonen og utviklingen av teknologi har det blitt en realitet å integrere drivere og MOSFET-er for å bygge multi-chip-moduler. Denne integreringsmetoden kan spare betydelig plass og øke strømforbrukstettheten. Gjennom optimalisering av drivere og MOSFET-er har det blitt en realitet. Strømeffektivitet og høykvalitets likestrøm, dette er DrMOS integrert driver IC.
Renesas 2. generasjon DrMOS
QFN-56 blyfri pakke gjør DrMOS termisk impedans svært lav; med intern ledningsbinding og kobberklemmedesign, kan ekstern PCB-kabling minimeres, og dermed redusere induktans og motstand. I tillegg kan den dypkanals silisium MOSFET-prosessen som brukes også redusere tap av ledning, svitsjing og portlading betydelig; den er kompatibel med en rekke kontrollere, kan oppnå forskjellige driftsmoduser, og støtter aktiv fasekonverteringsmodus APS (Auto Phase Switching). I tillegg til QFN-emballasje, er bilateral flat no-lead packaging (DFN) også en ny elektronisk pakkeprosess som har blitt mye brukt i ulike komponenter av ON Semiconductor. Sammenlignet med QFN har DFN færre utledningselektroder på begge sider.
8、Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) har en firkantet form og er mye mindre enn DIP-pakken. Den har 32 pinner med pinner rundt. Pinnene er ført ut fra de fire sidene av pakken i en T-form. Det er et plastprodukt. Pinnes senteravstand er 1,27 mm, og antall pinner varierer fra 18 til 84. De J-formede pinnene deformeres ikke lett og er lettere å betjene enn QFP, men utseendeinspeksjonen etter sveising er vanskeligere. PLCC-emballasje er egnet for installasjon av ledninger på PCB ved bruk av SMT overflatemonteringsteknologi. Den har fordelene med liten størrelse og høy pålitelighet. PLCC-emballasje er relativt vanlig og brukes i logisk LSI, DLD (eller programlogikkenhet) og andre kretser. Denne pakkeformen brukes ofte i hovedkort-BIOS, men den er for tiden mindre vanlig i MOSFET-er.
Innkapsling og forbedring for vanlige bedrifter
På grunn av utviklingstrenden med lav spenning og høy strøm i CPU-er, kreves det at MOSFET-er har stor utgangsstrøm, lav på-motstand, lav varmeutvikling, rask varmespredning og liten størrelse. I tillegg til å forbedre brikkeproduksjonsteknologi og -prosesser, fortsetter MOSFET-produsenter også å forbedre emballasjeteknologien. På grunnlag av kompatibilitet med standard utseendespesifikasjoner foreslår de nye emballasjeformer og registrerer varemerkenavn for de nye pakkene de utvikler.
1、RENESAS WPAK, LFPAK og LFPAK-I pakker
WPAK er en høyvarmestrålingspakke utviklet av Renesas. Ved å imitere D-PAK-pakken, sveises chip-kjøleribben til hovedkortet, og varmen ledes gjennom hovedkortet, slik at den lille pakken WPAK også kan nå utgangsstrømmen til D-PAK. WPAK-D2 pakker to høy/lav MOSFET-er for å redusere ledningsinduktansen.
Renesas WPAK-pakkestørrelse
LFPAK og LFPAK-I er to andre små formfaktorpakker utviklet av Renesas som er kompatible med SO-8. LFPAK ligner på D-PAK, men mindre enn D-PAK. LFPAK-i plasserer kjøleribben oppover for å spre varme gjennom kjøleribben.
Renesas LFPAK og LFPAK-I pakker
2. Vishay Power-PAK og Polar-PAK emballasje
Power-PAK er MOSFET-pakkenavnet registrert av Vishay Corporation. Power-PAK inkluderer to spesifikasjoner: Power-PAK1212-8 og Power-PAK SO-8.
Vishay Power-PAK1212-8 pakke
Vishay Power-PAK SO-8-pakke
Polar PAK er en liten pakke med dobbeltsidig varmeavledning og er en av Vishays kjernepakketeknologier. Polar PAK er det samme som den vanlige so-8-pakken. Den har spredningspunkter på både øvre og nedre side av pakken. Det er ikke lett å samle varme inne i pakken og kan øke strømtettheten til driftsstrømmen til det dobbelte av SO-8. For tiden har Vishay lisensiert Polar PAK-teknologi til STMicroelectronics.
Vishay Polar PAK-pakke
3. Onsi SO-8 og WDFN8 flate blypakker
ON Semiconductor har utviklet to typer flat-lead MOSFET-er, blant dem SO-8-kompatible flat-lead-er brukes av mange kort. ON Semiconductors nylanserte NVMx- og NVTx-strøm-MOSFET-er bruker kompakte DFN5 (SO-8FL) og WDFN8-pakker for å minimere ledningstap. Den har også lav QG og kapasitans for å minimere drivertap.
ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package
ON Semiconductor WDFN8-pakke
4. NXP LFPAK og QLPAK emballasje
NXP (tidligere Philps) har forbedret SO-8 emballasjeteknologi til LFPAK og QLPAK. Blant dem regnes LFPAK for å være den mest pålitelige SO-8-kraftpakken i verden; mens QLPAK har egenskapene til liten størrelse og høyere varmeavledningseffektivitet. Sammenlignet med vanlig SO-8, opptar QLPAK et PCB-kortareal på 6*5 mm og har en termisk motstand på 1,5k/W.
NXP LFPAK-pakke
NXP QLPAK emballasje
4. ST Semiconductor PowerSO-8-pakke
STMicroelectronics' kraft-MOSFET-brikkepakketeknologier inkluderer SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, etc. Blant dem er Power SO-8 en forbedret versjon av SO-8. I tillegg er det PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 og andre pakker.
STMicroelectronics Power SO-8-pakke
5. Fairchild Semiconductor Power 56-pakke
Power 56 er Farichilds eksklusive navn, og dets offisielle navn er DFN5×6. Emballasjeområdet er sammenlignbart med det ofte brukte TSOP-8, og den tynne pakken sparer komponentklaringshøyde, og Thermal-Pad-designen i bunnen reduserer termisk motstand. Derfor har mange produsenter av kraftenheter implementert DFN5×6.
Fairchild Power 56-pakke
6. International Rectifier (IR) Direct FET-pakke
Direct FET gir effektiv øvre kjøling i et SO-8 eller mindre fotavtrykk og er egnet for AC-DC og DC-DC strømkonverteringsapplikasjoner i datamaskiner, bærbare datamaskiner, telekommunikasjons- og forbrukerelektronikkutstyr. DirectFETs metallbokskonstruksjon gir dobbeltsidig varmeavledning, noe som effektivt dobler strømhåndteringsevnen til høyfrekvente DC-DC buck-omformere sammenlignet med standard diskrete plastpakker. Direct FET-pakken er en omvendt-montert type, med avløpskjøleribben (D) vendt oppover og dekket med et metallskall, gjennom hvilket varmen spres. Direkte FET-emballasje forbedrer varmeavledningen betraktelig og tar mindre plass med god varmeavledning.
Oppsummer
I fremtiden, ettersom den elektroniske produksjonsindustrien fortsetter å utvikle seg i retning av ultratynn, miniatyrisering, lavspenning og høy strøm, vil utseendet og den interne emballasjestrukturen til MOSFET også endre seg for å bedre tilpasse seg utviklingsbehovene til produksjonen. industri. I tillegg, for å senke utvalgsterskelen for elektroniske produsenter, vil trenden med MOSFET-utvikling i retning av modularisering og emballasje på systemnivå bli stadig tydeligere, og produktene vil utvikle seg på en koordinert måte fra flere dimensjoner som ytelse og kostnad . Pakke er en av de viktige referansefaktorene for valg av MOSFET. Ulike elektroniske produkter har ulike elektriske krav, og ulike installasjonsmiljøer krever også samsvarende størrelsesspesifikasjoner for å oppfylle. Ved faktisk utvelgelse bør avgjørelsen tas etter de faktiske behovene etter det generelle prinsippet. Noen elektroniske systemer er begrenset av størrelsen på PCB og innvendig høyde. For eksempel bruker modulstrømforsyninger til kommunikasjonssystemer vanligvis DFN5*6 og DFN3*3-pakker på grunn av høydebegrensninger; i noen ACDC-strømforsyninger er ultratynne design eller på grunn av skallbegrensninger egnet for montering av TO220-pakkede strøm-MOSFET-er. På dette tidspunktet kan pinnene settes direkte inn i roten, som ikke er egnet for TO247-pakkede produkter; noen ultratynne design krever at enhetspinnene bøyes og legges flatt, noe som vil øke kompleksiteten til MOSFET-utvalget.
Hvordan velge MOSFET
En ingeniør fortalte meg en gang at han aldri så på den første siden av et MOSFET-datablad fordi den "praktiske" informasjonen bare dukket opp på den andre siden og utover. Så godt som hver side på et MOSFET-datablad inneholder verdifull informasjon for designere. Men det er ikke alltid klart hvordan man skal tolke dataene fra produsentene.
Denne artikkelen skisserer noen av nøkkelspesifikasjonene til MOSFET-er, hvordan de er oppgitt på dataarket, og det klare bildet du trenger for å forstå dem. Som de fleste elektroniske enheter, påvirkes MOSFET-er av driftstemperaturen. Så det er viktig å forstå testforholdene som de nevnte indikatorene brukes under. Det er også avgjørende å forstå om indikatorene du ser i "Produktintroduksjonen" er "maksimum" eller "typiske" verdier, fordi noen datablad ikke gjør det klart.
Spenningsgrad
Den primære egenskapen som bestemmer en MOSFET er dens drain-source spenning VDS, eller "drain-source breakdown voltage", som er den høyeste spenningen som MOSFET kan tåle uten skade når porten er kortsluttet til source og drainstrømmen er 250μA. . VDS kalles også "absolutt maksimal spenning ved 25°C", men det er viktig å huske at denne absolutte spenningen er temperaturavhengig, og det er vanligvis en "VDS temperaturkoeffisient" i databladet. Du må også forstå at maksimal VDS er likespenningen pluss eventuelle spenningstopper og krusninger som kan være tilstede i kretsen. Hvis du for eksempel bruker en 30V-enhet på en 30V-strømforsyning med en 100mV, 5ns spike, vil spenningen overskride enhetens absolutte maksimale grense, og enheten kan gå i skredmodus. I dette tilfellet kan påliteligheten til MOSFET ikke garanteres. Ved høye temperaturer kan temperaturkoeffisienten endre sammenbruddsspenningen betydelig. For eksempel har noen N-kanals MOSFET-er med en spenningsklasse på 600V en positiv temperaturkoeffisient. Når de nærmer seg sin maksimale krysstemperatur, får temperaturkoeffisienten disse MOSFET-ene til å oppføre seg som 650V MOSFET-er. Mange MOSFET-brukeres designregler krever en reduksjonsfaktor på 10 % til 20 %. I noen design, med tanke på at den faktiske sammenbruddsspenningen er 5% til 10% høyere enn nominell verdi ved 25°C, vil en tilsvarende nyttig designmargin legges til den faktiske designen, noe som er svært fordelaktig for designet. Like viktig for riktig valg av MOSFET-er er å forstå rollen til portkildespenningen VGS under ledningsprosessen. Denne spenningen er spenningen som sikrer full ledning av MOSFET under en gitt maksimal RDS(på)-tilstand. Dette er grunnen til at på-motstanden alltid er relatert til VGS-nivået, og det er kun ved denne spenningen at enheten kan slås på. En viktig designkonsekvens er at du ikke kan slå MOSFET helt på med en spenning som er lavere enn minimum VGS som brukes for å oppnå RDS(on)-klassifiseringen. For å drive en MOSFET helt på med en 3,3V mikrokontroller, må du for eksempel kunne slå på MOSFET ved VGS=2,5V eller lavere.
On-resistance, gate charge, og "figure of merit"
På-motstanden til en MOSFET bestemmes alltid ved én eller flere gate-til-kilde-spenninger. Den maksimale RDS(on)-grensen kan være 20 % til 50 % høyere enn den typiske verdien. Den maksimale grensen for RDS(on) refererer vanligvis til verdien ved en overgangstemperatur på 25°C. Ved høyere temperaturer kan RDS(på) øke med 30 % til 150 %, som vist i figur 1. Siden RDS(på) endres med temperaturen og minste motstandsverdi ikke kan garanteres, er det ikke mulig å detektere strøm basert på RDS(på). en svært nøyaktig metode.
Figur 1 RDS(on) øker med temperaturen i området 30 % til 150 % av maksimal driftstemperatur
På-motstand er veldig viktig for både N-kanal og P-kanal MOSFET. Ved bytte av strømforsyninger er Qg et nøkkelvalgkriterium for N-kanals MOSFET-er som brukes til å bytte strømforsyninger fordi Qg påvirker svitsjetap. Disse tapene har to effekter: den ene er koblingstiden som påvirker MOSFET av og på; den andre er energien som kreves for å lade portkapasitansen under hver bytteprosess. En ting å huske på er at Qg avhenger av gate-kildespenningen, selv om bruk av en lavere Vgs reduserer svitsjetapene. Som en rask måte å sammenligne MOSFET-er beregnet for bruk i bytteapplikasjoner, bruker designere ofte en entallsformel som består av RDS(on) for ledningstap og Qg for svitsjetap: RDS(on)xQg. Denne "figuren of merit" (FOM) oppsummerer enhetens ytelse og lar MOSFET-er sammenlignes i form av typiske eller maksimale verdier. For å sikre en nøyaktig sammenligning på tvers av enheter, må du sørge for at samme VGS brukes for RDS(on) og Qg, og at de typiske og maksimale verdiene tilfeldigvis ikke er blandet sammen i publikasjonen. Lavere FOM vil gi deg bedre ytelse når du bytter applikasjoner, men det er ikke garantert. De beste sammenligningsresultatene kan bare oppnås i en faktisk krets, og i noen tilfeller kan det hende at kretsen må finjusteres for hver MOSFET. Nominell strøm og effekttap, basert på ulike testforhold, de fleste MOSFET-er har en eller flere kontinuerlige dreneringsstrømmer i dataarket. Du bør se nøye på dataarket for å finne ut om klassifiseringen er ved spesifisert hustemperatur (f.eks. TC=25°C), eller omgivelsestemperatur (f.eks. TA=25°C). Hvilken av disse verdiene som er mest relevant vil avhenge av enhetens egenskaper og anvendelse (se figur 2).
Figur 2 Alle absolutte maksimale strøm- og effektverdier er reelle data
For små overflatemonterte enheter som brukes i håndholdte enheter, kan det mest relevante strømnivået være det ved en omgivelsestemperatur på 70°C. For stort utstyr med kjøleribber og tvungen luftkjøling kan strømnivået ved TA=25℃ være nærmere den faktiske situasjonen. For noen enheter kan dysen håndtere mer strøm ved sin maksimale overgangstemperatur enn pakkens grenser. I noen datablad er dette "die-begrensede" strømnivået tilleggsinformasjon til det "pakkebegrensede" strømnivået, som kan gi deg en ide om robustheten til dysen. Lignende hensyn gjelder for kontinuerlig effekttap, som ikke bare avhenger av temperatur, men også på tid. Se for deg en enhet som opererer kontinuerlig ved PD=4W i 10 sekunder ved TA=70℃. Hva som utgjør en "kontinuerlig" tidsperiode vil variere basert på MOSFET-pakken, så du vil bruke det normaliserte termiske transientimpedansplotet fra dataarket for å se hvordan strømforbruket ser ut etter 10 sekunder, 100 sekunder eller 10 minutter . Som vist i figur 3 er den termiske motstandskoeffisienten til denne spesialiserte enheten etter en 10-sekunders puls omtrent 0,33, noe som betyr at når pakken når termisk metning etter omtrent 10 minutter, er enhetens varmeavledningskapasitet bare 1,33W i stedet for 4W . Selv om enhetens varmeavledningskapasitet kan nå omtrent 2W under god kjøling.
Figur 3 Termisk motstand til MOSFET når strømpuls påføres
Faktisk kan vi dele hvordan du velger MOSFET i fire trinn.
Det første trinnet: velg N-kanal eller P-kanal
Det første trinnet i å velge riktig enhet for designet ditt er å bestemme om du skal bruke en N-kanal eller P-kanal MOSFET. I en typisk strømapplikasjon, når en MOSFET er koblet til jord og lasten er koblet til nettspenningen, danner MOSFET lavsidebryteren. I lavsidebryteren bør N-kanals MOSFET-er brukes på grunn av hensynet til spenningen som kreves for å slå enheten av eller på. Når MOSFET er koblet til bussen og laster til jord, brukes en høysidebryter. P-kanal MOSFET-er brukes vanligvis i denne topologien, noe som også skyldes spenningsdriftshensyn. For å velge riktig enhet for applikasjonen din, må du bestemme spenningen som kreves for å drive enheten og den enkleste måten å gjøre det på i designet. Det neste trinnet er å bestemme den nødvendige spenningen, eller den maksimale spenningen enheten tåler. Jo høyere spenningsklassifisering, desto høyere kostnad for enheten. I henhold til praktisk erfaring skal merkespenningen være større enn nettspenningen eller bussspenningen. Dette vil gi tilstrekkelig beskyttelse slik at MOSFET ikke svikter. Når du velger en MOSFET, er det nødvendig å bestemme den maksimale spenningen som kan tolereres fra avløpet til kilden, det vil si maksimal VDS. Det er viktig å vite at den maksimale spenningen en MOSFET tåler endringer med temperatur. Konstruktører må teste spenningsvariasjoner over hele driftstemperaturområdet. Nominell spenning må ha nok margin til å dekke dette variasjonsområdet for å sikre at kretsen ikke vil svikte. Andre sikkerhetsfaktorer som designingeniører må vurdere inkluderer spenningstransienter indusert av bytteelektronikk som motorer eller transformatorer. Nominelle spenninger varierer for ulike bruksområder; typisk 20V for bærbare enheter, 20-30V for FPGA-strømforsyninger og 450-600V for 85-220VAC-applikasjoner.
Trinn 2: Bestem merkestrømmen
Det andre trinnet er å velge gjeldende vurdering av MOSFET. Avhengig av kretskonfigurasjonen, bør denne merkestrømmen være den maksimale strømmen som lasten tåler under alle omstendigheter. I likhet med spenningssituasjonen, må designeren sørge for at MOSFET-en som er valgt tåler denne strømverdien, selv når systemet genererer strømtopper. De to aktuelle forholdene som vurderes er kontinuerlig modus og pulsspike. I kontinuerlig ledningsmodus er MOSFET i en stabil tilstand, der strømmen flyter kontinuerlig gjennom enheten. En pulsspids refererer til en stor bølge (eller spissstrøm) som strømmer gjennom enheten. Når den maksimale strømmen under disse forholdene er bestemt, er det ganske enkelt et spørsmål om å velge en enhet som kan håndtere denne maksimale strømmen. Etter valg av merkestrøm må også ledningstapet beregnes. I faktiske situasjoner er ikke MOSFET en ideell enhet fordi det er tap av elektrisk energi under ledningsprosessen, som kalles ledningstap. En MOSFET oppfører seg som en variabel motstand når den er "på", som bestemmes av RDS(ON) til enheten og endres betydelig med temperaturen. Strømtapet til enheten kan beregnes med Iload2×RDS(ON). Siden på-motstanden endres med temperaturen, vil også effekttapet endres proporsjonalt. Jo høyere spenningen VGS påføres MOSFET, jo mindre vil RDS(ON) være; omvendt, jo høyere RDS(ON) vil være. For systemdesigneren er det her avveiningene kommer inn avhengig av systemspenningen. For bærbare design er det enklere (og mer vanlig) å bruke lavere spenninger, mens for industrielle design kan høyere spenninger brukes. Merk at RDS(ON)-motstanden vil stige litt med strømmen. Variasjoner i ulike elektriske parametere til RDS(ON)-motstanden kan finnes i det tekniske databladet fra produsenten. Teknologi har en betydelig innvirkning på enhetens egenskaper, fordi noen teknologier har en tendens til å øke RDS(ON) når den maksimale VDS økes. For en slik teknologi, hvis du har til hensikt å redusere VDS og RDS(ON), må du øke brikkestørrelsen, og dermed øke den matchende pakkestørrelsen og relaterte utviklingskostnader. Det er flere teknologier i bransjen som prøver å kontrollere økningen i brikkestørrelse, hvorav de viktigste er kanal- og ladebalanseringsteknologier. I grøftteknologi er en dyp grøft innebygd i waferen, vanligvis reservert for lave spenninger, for å redusere på-motstanden RDS(ON). For å redusere virkningen av maksimal VDS på RDS(ON), ble en epitaksial vekstkolonne/etsingskolonneprosess brukt under utviklingsprosessen. For eksempel har Fairchild Semiconductor utviklet en teknologi kalt SuperFET som legger til ytterligere produksjonstrinn for RDS(ON)-reduksjon. Dette fokuset på RDS(ON) er viktig fordi når nedbrytningsspenningen til en standard MOSFET øker, øker RDS(ON) eksponentielt og fører til en økning i formstørrelsen. SuperFET-prosessen endrer det eksponentielle forholdet mellom RDS(ON) og waferstørrelse til et lineært forhold. På denne måten kan SuperFET-enheter oppnå ideell lav RDS(ON) i små dysestørrelser, selv med sammenbruddsspenninger opp til 600V. Resultatet er at waferstørrelsen kan reduseres med opptil 35 %. For sluttbrukere betyr dette en betydelig reduksjon i pakkestørrelse.
Trinn tre: Bestem termiske krav
Det neste trinnet i å velge en MOSFET er å beregne de termiske kravene til systemet. Designere må vurdere to forskjellige scenarier, det verste scenarioet og det virkelige scenarioet. Det anbefales å bruke worst-case beregningsresultatet, fordi dette resultatet gir større sikkerhetsmargin og sikrer at systemet ikke svikter. Det er også noen måledata som trenger oppmerksomhet på MOSFET-dataarket; slik som termisk motstand mellom halvlederforbindelsen til den pakkede enheten og miljøet, og den maksimale overgangstemperaturen. Koblingstemperaturen til enheten er lik maksimal omgivelsestemperatur pluss produktet av termisk motstand og effekttap (krysstemperatur = maksimal omgivelsestemperatur + [termisk motstand × effekttap]). I henhold til denne ligningen kan systemets maksimale effekttap løses, som er lik I2×RDS(ON) per definisjon. Siden designeren har bestemt den maksimale strømmen som skal passere gjennom enheten, kan RDS(ON) beregnes ved forskjellige temperaturer. Det er verdt å merke seg at når de arbeider med enkle termiske modeller, må designere også vurdere den termiske kapasiteten til halvlederkrysset/enhetshuset og saken/miljøet; dette krever at kretskortet og pakken ikke varmes opp umiddelbart. Skredsammenbrudd betyr at reversspenningen på halvlederenheten overskrider maksimalverdien og danner et sterkt elektrisk felt for å øke strømmen i enheten. Denne strømmen vil spre strøm, øke temperaturen på enheten og muligens skade enheten. Halvlederselskaper vil gjennomføre skredtesting på enheter, beregne deres skredspenning eller teste enhetens robusthet. Det er to metoder for å beregne nominell skredspenning; den ene er statistisk metode og den andre er termisk beregning. Termisk beregning er mye brukt fordi det er mer praktisk. Mange selskaper har gitt detaljer om testingen av enhetene deres. For eksempel gir Fairchild Semiconductor "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines-kan lastes ned fra Fairchild-nettstedet). I tillegg til databehandling har teknologi også stor innflytelse på skredeffekten. For eksempel øker en økning i formstørrelsen skredmotstanden og øker til slutt enhetens robusthet. For sluttbrukere betyr dette å bruke større pakker i systemet.
Trinn 4: Bestem bytteytelsen
Det siste trinnet i å velge en MOSFET er å bestemme svitsjeytelsen til MOSFET. Det er mange parametere som påvirker bytteytelsen, men de viktigste er gate/drain, gate/source og drain/source kapasitans. Disse kondensatorene skaper byttetap i enheten fordi de lades hver gang de bytter. Byttehastigheten til MOSFET reduseres derfor, og enhetens effektivitet reduseres også. For å beregne de totale tapene i en enhet under svitsjing, må designeren beregne tapene under innkobling (Eon) og tapene under avstenging (Eoff). Den totale effekten til MOSFET-bryteren kan uttrykkes ved følgende ligning: Psw=(Eon+Eoff)×svitsjefrekvens. Portladingen (Qgd) har størst innvirkning på bytteytelsen. Basert på viktigheten av bytteytelse, utvikles det stadig nye teknologier for å løse dette bytteproblemet. Økende brikkestørrelse øker portladningen; dette øker enhetens størrelse. For å redusere byttetap har nye teknologier som kanaltykkbunnsoksidasjon dukket opp, med sikte på å redusere portladningen. For eksempel kan den nye teknologien SuperFET minimere ledningstap og forbedre bytteytelsen ved å redusere RDS(ON) og portlading (Qg). På denne måten kan MOSFET-er takle høyhastighets spenningstransienter (dv/dt) og strømtransienter (di/dt) under svitsjing, og kan til og med fungere pålitelig ved høyere svitsjefrekvenser.
Innleggstid: 23. oktober 2023
