Forstå MOSFET i én artikkel

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 enhetstestingen. 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.