Výkonové polovodičové súčiastky sú široko používané v priemysle, spotrebe, armáde a iných oblastiach a majú vysokú strategickú pozíciu. Pozrime sa na celkový obraz napájacích zariadení z obrázka:
Výkonové polovodičové zariadenia možno rozdeliť na plný typ, poloriadený typ a neriaditeľný typ podľa stupňa riadenia signálov obvodu. Alebo podľa signálových vlastností hnacieho obvodu ho možno rozdeliť na napäťovo poháňaný typ, prúdovo poháňaný typ atď.
| Klasifikácia | typu | Špecifické výkonové polovodičové zariadenia |
| Ovládateľnosť elektrických signálov | Poloriadený typ | SCR |
| Plná kontrola | GTO, GTR, MOSFET, IGBT | |
| Nekontrolovateľné | Výkonová dióda | |
| Vlastnosti hnacieho signálu | Typ poháňaný napätím | IGBT, MOSFET, SITH |
| Aktuálny poháňaný typ | SCR, GTO, GTR | |
| Efektívny priebeh signálu | Typ pulznej spúšte | SCR, GTO |
| Typ elektronického ovládania | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situácie, v ktorých sa zúčastňujú elektróny nesúce prúd | bipolárne zariadenie | Výkonová dióda, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Unipolárne zariadenie | MOSFET, SEDENIE | |
| Kompozitné zariadenie | MCT, IGBT, SITH a IGCT |
Rôzne výkonové polovodičové zariadenia majú rôzne charakteristiky, ako je napätie, prúdová kapacita, impedancia a veľkosť. Pri skutočnom používaní je potrebné vybrať vhodné zariadenia podľa rôznych oblastí a potrieb.
Polovodičový priemysel prešiel od svojho zrodu tromi generáciami materiálnych zmien. Doteraz sa prvý polovodičový materiál reprezentovaný Si stále používa hlavne v oblasti výkonových polovodičových súčiastok.
| Polovodičový materiál | Bandgap (eV) | Teplota topenia (K) | hlavná aplikácia | |
| Polovodičové materiály 1. generácie | Ge | 1.1 | 1221 | Nízkonapäťové, nízkofrekvenčné, stredne výkonné tranzistory, fotodetektory |
| Polovodičové materiály 2. generácie | Si | 0,7 | 1687 | |
| Polovodičové materiály 3. generácie | GaAs | 1.4 | 1511 | Mikrovlnná rúra, prístroje s milimetrovými vlnami, prístroje vyžarujúce svetlo |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Vysokoteplotné vysokofrekvenčné zariadenia s vysokým výkonom odolné voči žiareniu 2. Modré, triedové, fialové diódy vyžarujúce svetlo, polovodičové lasery | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | ＞3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Zhrňte vlastnosti poloriadených a plne riadených energetických zariadení:
| Typ zariadenia | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Typ ovládania | Pulzná spúšť | Súčasná kontrola | ovládanie napätia | filmové centrum |
| samovypínacia linka | Vypnutie komutácie | samovypínacie zariadenie | samovypínacie zariadenie | samovypínacie zariadenie |
| pracovná frekvencia | ＜1 kHz | ＜30 kHz | 20 kHz-Mhz | ＜40 kHz |
| Hnacia sila | malý | veľký | malý | malý |
| spínacie straty | veľký | veľký | veľký | veľký |
| strata vedenia | malý | malý | veľký | malý |
| Úroveň napätia a prúdu | 最大 | veľký | minimálne | viac |
| Typické aplikácie | Strednofrekvenčný indukčný ohrev | Frekvenčný menič UPS | spínaný zdroj | Frekvenčný menič UPS |
| cena | najnižšie | nižšie | v strede | Najdrahšie |
| modulačný efekt vodivosti | mať | mať | žiadny | mať |
Zoznámte sa s MOSFETmi
MOSFET má vysokú vstupnú impedanciu, nízky šum a dobrú tepelnú stabilitu; má jednoduchý výrobný proces a silné vyžarovanie, preto sa zvyčajne používa v obvodoch zosilňovačov alebo spínacích obvodoch;
(1) Hlavné parametre výberu: napätie kolektor-zdroj VDS (odolné napätie), ID trvalý zvodový prúd, odpor RDS (zapnuté), vstupná kapacita Ciss (prepojovacia kapacita), faktor kvality FOM=Ron*Qg atď.
(2) Podľa rôznych procesov sa delí na TrenchMOS: priekopový MOSFET, hlavne v nízkonapäťovom poli do 100V; MOSFET SGT (Split Gate): MOSFET s delenou bránou, hlavne v poli stredného a nízkeho napätia do 200 V; SJ MOSFET: super junction MOSFET, hlavne v poli vysokého napätia 600-800V;
V spínanom napájacom zdroji, ako je obvod s otvoreným odtokom, je odtok pripojený k neporušenej záťaži, ktorá sa nazýva otvorený odtok. V obvode s otvoreným odtokom, bez ohľadu na to, aké vysoké napätie je pripojená záťaž, je možné zapnúť a vypnúť záťažový prúd. Ide o ideálne analógové spínacie zariadenie. Toto je princíp MOSFETu ako spínacieho zariadenia.
Čo sa týka podielu na trhu, MOSFETy sú takmer všetky sústredené v rukách veľkých medzinárodných výrobcov. Spomedzi nich Infineon v roku 2015 získal IR (American International Rectifier Company) a stal sa lídrom v tomto odvetví. ON Semiconductor tiež dokončil akvizíciu Fairchild Semiconductor v septembri 2016. , podiel na trhu vyskočil na druhé miesto a potom boli rebríčky predajov Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna atď.;
Mainstreamové značky MOSFET sú rozdelené do niekoľkých sérií: americká, japonská a kórejská.
Americká séria: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS atď.;
Japonsky: Toshiba, Renesas, ROHM atď.;
Kórejské série: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
kategórie balíkov MOSFET
Podľa spôsobu inštalácie na doske PCB existujú dva hlavné typy balíkov MOSFET: zásuvný (Through Hole) a povrchová montáž (Surface Mount). na
Zásuvný typ znamená, že kolíky MOSFET prechádzajú cez montážne otvory dosky plošných spojov a sú privarené k doske plošných spojov. Bežné balíky zásuvných modulov zahŕňajú: balík s dvojitým radom (DIP), balík obrysových tranzistorov (TO) a balík s poli pinovej mriežky (PGA).
Zásuvné balenie
Povrchová montáž je miesto, kde sú kolíky MOSFET a príruba na odvod tepla privarené k podložkám na povrchu dosky plošných spojov. Typické balenia na povrchovú montáž zahŕňajú: obrys tranzistora (D-PAK), malý obrysový tranzistor (SOT), malý obrysový obal (SOP), štvorhranný plochý obal (QFP), plastový olovený nosič čipu (PLCC) atď.
balík na povrchovú montáž
S rozvojom technológie dosky plošných spojov, ako sú základné dosky a grafické karty, v súčasnosti čoraz menej využívajú priame zásuvné obaly a viac sa používajú obaly na povrchovú montáž.
1. Dvojitý in-line balík (DIP)
Obal DIP má dva rady kolíkov a je potrebné ho vložiť do pätice čipu s DIP štruktúrou. Jeho odvodzovacia metóda je SDIP (Shrink DIP), čo je zmršťovací dvojradový obal. Hustota kolíkov je 6-krát vyššia ako hustota DIP.
Formy obalovej štruktúry DIP zahŕňajú: viacvrstvovú keramickú dvojvrstvovú DIP, jednovrstvovú keramickú dvojradovú DIP, olovený rám DIP (vrátane typu sklokeramického tesnenia, typu štruktúry zapuzdrenia z plastu, zapuzdrenia z keramického skla s nízkou teplotou topenia typ) atď. Charakteristickým znakom balenia DIP je, že je možné ľahko realizovať zváranie dosiek plošných spojov cez otvory a má dobrú kompatibilitu so základnou doskou.
Avšak, pretože jeho obalová plocha a hrúbka sú relatívne veľké a kolíky sa počas procesu zapájania a odpájania ľahko poškodia, spoľahlivosť je nízka. Zároveň vplyvom procesu počet pinov vo všeobecnosti nepresahuje 100. V procese vysokej integrácie elektronického priemyslu sa preto obaly DIP postupne stiahli zo štádia histórie.
2. Súprava tranzistorov (TO)
Prvé špecifikácie balenia, ako sú TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 atď., sú všetky návrhy zásuvných obalov.
TO-3P/247: Ide o bežne používanú formu balenia pre MOSFET stredného vysokého napätia a vysokého prúdu. Výrobok sa vyznačuje vysokým výdržným napätím a silnou odolnosťou proti prierazu.
TO-220/220F: TO-220F je plne plastový obal a pri inštalácii na radiátor nie je potrebné pridávať izolačnú podložku; TO-220 má na stredný kolík pripojený plech a pri montáži radiátora je potrebná izolačná podložka. MOSFETy týchto dvoch štýlov balíkov majú podobný vzhľad a možno ich používať zameniteľne.
TO-251: Tento balený produkt sa používa hlavne na zníženie nákladov a zmenšenie veľkosti produktu. Používa sa hlavne v prostrediach so stredným napätím a vysokým prúdom pod 60A a vysokým napätím pod 7N.
TO-92: Tento balík sa používa iba pre nízkonapäťové MOSFET (prúd pod 10A, výdržné napätie pod 60V) a vysokonapäťové 1N60/65, aby sa znížili náklady.
V posledných rokoch v dôsledku vysokých nákladov na zváranie procesu zásuvného balenia a horšieho výkonu odvádzania tepla v porovnaní s výrobkami typu náplasti dopyt na trhu s povrchovou montážou naďalej rástol, čo tiež viedlo k vývoju obalov TO. do obalov na povrchovú montáž.
TO-252 (tiež nazývaný D-PAK) a TO-263 (D2PAK) sú oba balíčky pre povrchovú montáž.。
TO balenie produktu vzhľad
TO252/D-PAK je plastový obal čipu, ktorý sa bežne používa na balenie výkonových tranzistorov a čipov stabilizujúcich napätie. Je to jeden zo súčasných mainstreamových balíkov. MOSFET využívajúci túto metódu balenia má tri elektródy, hradlo (G), odtok (D) a zdroj (S). Odtokový (D) kolík je odrezaný a nepoužíva sa. Namiesto toho sa chladič na zadnej strane používa ako odtok (D), ktorý je priamo privarený k doske plošných spojov. Na jednej strane slúži na výstup veľkých prúdov a na druhej strane odvádza teplo cez DPS. Preto sú na PCB tri podložky D-PAK a odtoková podložka (D) je väčšia. Špecifikácie jeho balenia sú nasledovné:
Špecifikácie veľkosti balenia TO-252/D-PAK
TO-263 je variant TO-220. Je určený hlavne na zlepšenie efektívnosti výroby a odvodu tepla. Podporuje extrémne vysoký prúd a napätie. Je bežnejší v strednonapäťových vysokoprúdových MOSFEToch pod 150A a nad 30V. Okrem D2PAK (TO-263AB) zahŕňa aj TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 a ďalšie štýly, ktoré sú podriadené TO-263 najmä z dôvodu rozdielneho počtu a vzdialenosti pinov .
Špecifikácia veľkosti balenia TO-263/D2PAKs
3. Balíček mriežkového poľa (PGA)
Vo vnútri a mimo čipu PGA (Pin Grid Array Package) je viacero kolíkov štvorcového poľa. Každý kolík štvorcového poľa je usporiadaný v určitej vzdialenosti okolo čipu. V závislosti od počtu špendlíkov sa dá vytvarovať do 2 až 5 kruhov. Pri inštalácii stačí vložiť čip do špeciálnej PGA pätice. Má výhody jednoduchého pripájania a odpájania a vysokej spoľahlivosti a dokáže sa prispôsobiť vyšším frekvenciám.
Štýl balíka PGA
Väčšina jeho čipových substrátov je vyrobená z keramického materiálu a niektoré používajú ako substrát špeciálnu plastovú živicu. Pokiaľ ide o technológiu, stredová vzdialenosť kolíkov je zvyčajne 2,54 mm a počet kolíkov sa pohybuje od 64 do 447. Charakteristickým znakom tohto druhu balenia je, že čím menšia je plocha balenia (objem), tým nižšia je spotreba energie (výkon ) vydrží a naopak. Tento štýl balenia čipov bol bežnejší v prvých dňoch a väčšinou sa používal na balenie produktov s vysokou spotrebou energie, ako sú CPU. Napríklad Intel 80486 a Pentium používajú tento štýl balenia; nie je široko prijímaný výrobcami MOSFET.
4. Balík malých obrysových tranzistorov (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) je balík malých výkonových tranzistorov typu patch, ktorý obsahuje hlavne SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (tj SOT23-5), atď. odvodené, ktoré sú rozmerovo menšie ako balíky TO.
Typ balíka SOT
SOT23 je bežne používané tranzistorové puzdro s tromi kolíkmi v tvare krídel, a to kolektor, emitor a základňa, ktoré sú uvedené na oboch stranách dlhšej strany súčiastky. Medzi nimi sú vysielač a základňa na rovnakej strane. Sú bežné v tranzistoroch s nízkym výkonom, tranzistoroch s efektom poľa a kompozitných tranzistoroch s odporovými sieťami. Majú dobrú pevnosť, ale zlú spájkovateľnosť. Vzhľad je znázornený na obrázku (a) nižšie.
SOT89 má tri krátke kolíky rozmiestnené na jednej strane tranzistora. Na druhej strane je kovový chladič pripojený k základni na zvýšenie schopnosti odvádzania tepla. Je bežný v kremíkových tranzistoroch s povrchovou montážou a je vhodný pre aplikácie s vyšším výkonom. Vzhľad je znázornený na obrázku (b) nižšie.
SOT143 má štyri krátke čapy v tvare krídel, ktoré sú vyvedené z oboch strán. Širší koniec čapu je zberač. Tento typ puzdra je bežný vo vysokofrekvenčných tranzistoroch a jeho vzhľad je znázornený na obrázku (c) nižšie.
SOT252 je vysokovýkonný tranzistor s tromi kolíkmi vedúcimi z jednej strany a stredný kolík je kratší a je kolektorom. Pripojte k väčšiemu kolíku na druhom konci, čo je medený plech na odvádzanie tepla, a jeho vzhľad je znázornený na obrázku (d) nižšie.
Porovnanie vzhľadu bežného balíka SOT
Na základných doskách sa bežne používa štvorpólový MOSFET SOT-89. Jeho špecifikácie a rozmery sú nasledovné:
Špecifikácie veľkosti MOSFET SOT-89 (jednotka: mm)
5. Malý prehľadový balík (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) je jeden z balíkov pre povrchovú montáž, nazývaný aj SOL alebo DFP. Špendlíky sú vytiahnuté z oboch strán obalu v tvare krídla čajky (tvar L). Materiály sú plast a keramika. Štandardy balenia SOP zahŕňajú SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 atď. Číslo za SOP označuje počet kolíkov. Väčšina balíkov MOSFET SOP prijíma špecifikácie SOP-8. Priemysel často vynecháva „P“ a skracuje ho ako SO (Small Out-Line).
Veľkosť balenia SOP-8
SO-8 bol prvýkrát vyvinutý spoločnosťou PHILIP Company. Je zabalený v plastovom obale, nemá spodnú dosku odvádzajúcu teplo a má slabý odvod tepla. Vo všeobecnosti sa používa pre MOSFETy s nízkym výkonom. Neskôr boli postupne odvodené štandardné špecifikácie ako TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) atď.; medzi nimi sa TSOP a TSSOP bežne používajú v obaloch MOSFET.
Špecifikácie odvodené od SOP bežne používané pre MOSFETy
6. Balíček Quad Flat (QFP)
Vzdialenosť medzi kolíkmi čipu v balení QFP (Plastic Quad Flat Package) je veľmi malá a kolíky sú veľmi tenké. Vo všeobecnosti sa používa vo veľkých alebo ultra veľkých integrovaných obvodoch a počet pinov je zvyčajne viac ako 100. Čipy zabalené v tejto forme musia používať technológiu povrchovej montáže SMT na spájkovanie čipu so základnou doskou. Tento spôsob balenia má štyri hlavné charakteristiky: ① Je vhodný pre technológiu povrchovej montáže SMD na inštaláciu kabeláže na dosky plošných spojov; ② Je vhodný na vysokofrekvenčné použitie; ③ Je ľahko ovládateľný a má vysokú spoľahlivosť; ④ Pomer medzi plochou čipu a oblasťou balenia je malý. Rovnako ako metóda balenia PGA, táto metóda balenia zabalí čip do plastového obalu a nedokáže rozptýliť teplo, ktoré vzniká, keď čip funguje včas. Obmedzuje zlepšenie výkonu MOSFET; a samotný plastový obal zväčšuje veľkosť zariadenia, ktoré nespĺňa požiadavky na vývoj polovodičov v smere ľahké, tenké, krátke a malé. Okrem toho je tento typ spôsobu balenia založený na jedinom čipe, ktorý má problémy s nízkou efektivitou výroby a vysokými nákladmi na balenie. Preto je QFP vhodnejší na použitie v digitálnych logických obvodoch LSI, ako sú mikroprocesory / hradlové polia, a je tiež vhodný na balenie produktov analógových obvodov LSI, ako je spracovanie signálu VTR a spracovanie audio signálu.
7、Quad flat package bez vodičov (QFN)
Balenie QFN (Quad Flat Non-leaded package) je vybavené elektródovými kontaktmi na všetkých štyroch stranách. Keďže neexistujú žiadne vodiče, montážna plocha je menšia ako QFP a výška je nižšia ako QFP. Medzi nimi sa keramický QFN nazýva aj LCC (Leadless Chip Carriers) a lacný plastový QFN využívajúci základný materiál substrátu potlačeného sklenenou epoxidovou živicou sa nazýva plastový LCC, PCLC, P-LCC atď. Ide o novovznikajúce balenie čipov na povrchovú montáž. technológia s malou veľkosťou podložky, malým objemom a plastom ako tesniacim materiálom. QFN sa používa hlavne na balenie integrovaných obvodov a MOSFET sa nepoužije. Pretože však Intel navrhol integrovaný ovládač a riešenie MOSFET, spustil DrMOS v balíku QFN-56 ("56" označuje 56 pripojovacích kolíkov na zadnej strane čipu).
Je potrebné poznamenať, že balík QFN má rovnakú konfiguráciu externej elektródy ako balík ultratenkých malých obrysov (TSSOP), ale jeho veľkosť je o 62 % menšia ako TSSOP. Podľa údajov modelovania QFN je jeho tepelný výkon o 55 % vyšší ako u balenia TSSOP a jeho elektrický výkon (indukčnosť a kapacita) je o 60 % a 30 % vyšší ako u balenia TSSOP. Najväčšou nevýhodou je, že sa ťažko opravuje.
DrMOS v balení QFN-56
Tradičné diskrétne DC/DC step-down spínané zdroje nedokážu splniť požiadavky na vyššiu hustotu výkonu, ani nedokážu vyriešiť problém efektov parazitných parametrov pri vysokých spínacích frekvenciách. S inováciami a pokrokom technológie sa stalo realitou integrácia ovládačov a MOSFETov na vytváranie viacčipových modulov. Tento spôsob integrácie môže ušetriť značné miesto a zvýšiť hustotu spotreby energie. Vďaka optimalizácii ovládačov a MOSFETov sa to stalo realitou. Energetická účinnosť a vysokokvalitný jednosmerný prúd, to je integrovaný driver IC DrMOS.
Renesas DrMOS 2. generácie
Bezolovnaté puzdro QFN-56 robí tepelnú impedanciu DrMOS veľmi nízkou; s vnútorným spájaním drôtov a dizajnom medenej spony možno minimalizovať externé zapojenie PCB, čím sa zníži indukčnosť a odpor. Okrem toho, použitý hlbokokanálový kremíkový MOSFET proces môže tiež výrazne znížiť straty vedenia, spínania a hradla; je kompatibilný s rôznymi ovládačmi, môže dosiahnuť rôzne prevádzkové režimy a podporuje režim konverzie aktívnej fázy APS (Auto Phase Switching). Okrem balenia QFN je novým elektronickým baliacim procesom aj bilaterálne ploché bezolovnaté balenie (DFN), ktoré sa široko používa v rôznych komponentoch ON Semiconductor. V porovnaní s QFN má DFN na oboch stranách menej vývodných elektród.
8、Plastový olovený nosič čipov (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) má štvorcový tvar a je oveľa menší ako obal DIP. Má 32 kolíkov s kolíkmi dookola. Špendlíky sú vyvedené zo štyroch strán obalu do tvaru T. Ide o plastový výrobok. Stredová vzdialenosť kolíkov je 1,27 mm a počet kolíkov sa pohybuje od 18 do 84. Kolíky v tvare písmena J sa nedeformujú ľahko a ľahšie sa ovládajú ako QFP, ale kontrola vzhľadu po zváraní je náročnejšia. PLCC obal je vhodný na inštaláciu elektroinštalácie na DPS pomocou technológie povrchovej montáže SMT. Má výhody malej veľkosti a vysokej spoľahlivosti. Balenie PLCC je pomerne bežné a používa sa v logických LSI, DLD (alebo programových logických zariadeniach) a iných obvodoch. Táto forma balenia sa často používa v BIOSoch základnej dosky, ale v súčasnosti je menej bežná v MOSFEToch.
Zapuzdrenie a zlepšenie pre bežné podniky
Kvôli vývojovému trendu nízkeho napätia a vysokého prúdu v CPU sa vyžaduje, aby MOSFETy mali veľký výstupný prúd, nízky odpor pri zapnutí, nízku tvorbu tepla, rýchly odvod tepla a malú veľkosť. Okrem zlepšovania technológie a procesov výroby čipov výrobcovia MOSFET pokračujú aj v zlepšovaní technológie balenia. Na základe kompatibility so štandardnými špecifikáciami vzhľadu navrhujú nové tvary obalov a registrujú názvy ochranných známok pre nové obaly, ktoré vyvíjajú.
1, balíky RENESAS WPAK, LFPAK a LFPAK-I
WPAK je balík s vysokým vyžarovaním tepla vyvinutý spoločnosťou Renesas. Imitáciou obalu D-PAK je chladič čipu privarený k základnej doske a teplo je odvádzané cez základnú dosku, takže malé balenie WPAK môže dosiahnuť aj výstupný prúd D-PAK. WPAK-D2 obsahuje dva vysoké/nízke MOSFETy na zníženie indukčnosti vodičov.
Veľkosť balenia Renesas WPAK
LFPAK a LFPAK-I sú dva ďalšie balíky malých rozmerov vyvinuté spoločnosťou Renesas, ktoré sú kompatibilné s SO-8. LFPAK je podobný D-PAK, ale menší ako D-PAK. LFPAK-i umiestňuje chladič nahor, aby odvádzal teplo cez chladič.
Balíky Renesas LFPAK a LFPAK-I
2. Balenie Vishay Power-PAK a Polar-PAK
Power-PAK je názov balíka MOSFET registrovaný spoločnosťou Vishay Corporation. Power-PAK obsahuje dve špecifikácie: Power-PAK1212-8 a Power-PAK SO-8.
Balenie Vishay Power-PAK1212-8
Balenie Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK je malé balenie s obojstranným odvodom tepla a je jednou zo základných baliacich technológií Vishay. Polar PAK je rovnaký ako obyčajný tak-8 balíček. Má rozptylové body na hornej aj spodnej strane obalu. Akumulovať teplo vo vnútri obalu nie je jednoduché a môže zvýšiť prúdovú hustotu prevádzkového prúdu na dvojnásobok oproti SO-8. V súčasnosti spoločnosť Vishay licencovala technológiu Polar PAK spoločnosti STMicroelectronics.
Balenie Vishay Polar PAK
3. Balíky plochého olova Onsemi SO-8 a WDFN8
ON Semiconductor vyvinul dva typy plochých MOSFETov, medzi ktorými mnohé dosky používajú ploché vývody kompatibilné so SO-8. Novo uvedené výkonové MOSFETy NVMx a NVTx spoločnosti ON Semiconductor využívajú kompaktné balíčky DFN5 (SO-8FL) a WDFN8 na minimalizáciu strát vo vedení. Vyznačuje sa tiež nízkym QG a kapacitou, aby sa minimalizovali straty vodiča.
ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package
Balík ON Semiconductor WDFN8
4. Balenie NXP LFPAK a QLPAK
NXP (predtým Philps) vylepšila technológiu balenia SO-8 na LFPAK a QLPAK. Spomedzi nich je LFPAK považovaný za najspoľahlivejší energetický balík SO-8 na svete; zatiaľ čo QLPAK má charakteristiky malej veľkosti a vyššej účinnosti odvádzania tepla. V porovnaní s obyčajným SO-8 zaberá QLPAK plochu PCB dosky 6*5mm a má tepelný odpor 1,5k/W.
Balík NXP LFPAK
Balenie NXP QLPAK
4. Balenie ST Semiconductor PowerSO-8
Medzi technológie balenia výkonových MOSFET čipov STMicroelectronics patria SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK atď. Medzi nimi je Power SO-8 vylepšená verzia SO-8. Okrem toho existujú balíčky PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 a ďalšie.
Balík STMicroelectronics Power SO-8
5. Balík Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 je exkluzívny názov spoločnosti Farichild a jeho oficiálny názov je DFN5×6. Jeho obalová plocha je porovnateľná s bežne používanou TSOP-8 a tenký obal šetrí svetlú výšku komponentov a dizajn Thermal-Pad v spodnej časti znižuje tepelný odpor. Preto mnohí výrobcovia výkonových zariadení nasadili DFN5×6.
Balenie Fairchild Power 56
6. Medzinárodný usmerňovač (IR) Direct FET balík
Direct FET poskytuje efektívne horné chladenie v rozmere SO-8 alebo menšom a je vhodný pre aplikácie konverzie napájania AC-DC a DC-DC v počítačoch, notebookoch, telekomunikačných zariadeniach a zariadeniach spotrebnej elektroniky. Kovová konštrukcia plechovky DirectFET poskytuje obojstranný odvod tepla, čím efektívne zdvojnásobuje súčasné manipulačné schopnosti vysokofrekvenčných meničov DC-DC buck v porovnaní so štandardnými plastovými diskrétnymi obalmi. Balík Direct FET je reverzne namontovaný typ, s odtokovým (D) chladičom smerujúcim nahor a pokrytý kovovým plášťom, cez ktorý sa teplo odvádza. Priame balenie FET výrazne zlepšuje odvod tepla a zaberá menej miesta s dobrým odvodom tepla.
Zhrnúť
V budúcnosti, keď sa priemysel elektronickej výroby naďalej vyvíja smerom k ultratenkým, miniaturizačným, nízkonapäťovým a vysokoprúdovým, zmení sa aj vzhľad a vnútorná štruktúra balenia MOSFET, aby sa lepšie prispôsobili vývojovým potrebám výroby. priemyslu. Okrem toho, aby sa znížil prah výberu pre výrobcov elektroniky, trend vývoja MOSFET v smere modularizácie a balenia na systémovej úrovni bude čoraz zreteľnejší a produkty sa budú vyvíjať koordinovaným spôsobom z viacerých dimenzií, ako je výkon a cena. . Balík je jedným z dôležitých referenčných faktorov pre výber MOSFET. Rôzne elektronické výrobky majú rôzne elektrické požiadavky a rôzne inštalačné prostredia tiež vyžadujú zodpovedajúce špecifikácie veľkosti. Pri skutočnom výbere by sa malo rozhodnúť podľa skutočných potrieb podľa všeobecného princípu. Niektoré elektronické systémy sú obmedzené veľkosťou PCB a vnútornou výškou. Napríklad modulové napájacie zdroje komunikačných systémov zvyčajne používajú balíčky DFN5*6 a DFN3*3 kvôli výškovým obmedzeniam; v niektorých ACDC napájacích zdrojoch sú ultratenké konštrukcie alebo kvôli obmedzeniam plášťa vhodné na montáž MOSFETov TO220. V tomto čase môžu byť kolíky vložené priamo do koreňa, čo nie je vhodné pre balené produkty TO247; niektoré ultratenké konštrukcie vyžadujú, aby boli kolíky zariadenia ohnuté a položené naplocho, čo zvýši zložitosť výberu MOSFET.
Ako si vybrať MOSFET
Jeden inžinier mi raz povedal, že sa nikdy nepozrel na prvú stranu údajového listu MOSFET, pretože „praktické“ informácie sa objavili iba na druhej strane a ďalej. Prakticky každá strana údajového listu MOSFET obsahuje cenné informácie pre dizajnérov. Nie je však vždy jasné, ako interpretovať údaje poskytnuté výrobcami.
Tento článok načrtáva niektoré kľúčové špecifikácie MOSFETov, ako sú uvedené v údajovom liste a jasný obraz, ktorý potrebujete, aby ste im porozumeli. Ako väčšina elektronických zariadení, aj MOSFET sú ovplyvnené prevádzkovou teplotou. Preto je dôležité porozumieť testovacím podmienkam, za ktorých sa spomínané indikátory používajú. Je tiež dôležité pochopiť, či indikátory, ktoré vidíte v „Úvode produktu“ sú „maximálne“ alebo „typické“ hodnoty, pretože z niektorých údajových listov to nie je jasné.
Stupeň napätia
Primárna charakteristika, ktorá určuje MOSFET, je jeho mozgovo-zdrojové napätie VDS, alebo „odvodňovacie prierazné napätie zdroja“, čo je najvyššie napätie, ktoré MOSFET vydrží bez poškodenia, keď je brána skratovaná k zdroju a odtokovému prúdu. je 250μA. . VDS sa tiež nazýva „absolútne maximálne napätie pri 25 °C“, ale je dôležité si uvedomiť, že toto absolútne napätie je závislé od teploty a v údajovom liste je zvyčajne uvedený „teplotný koeficient VDS“. Musíte tiež pochopiť, že maximálny VDS je jednosmerné napätie plus akékoľvek napäťové špičky a vlnky, ktoré môžu byť prítomné v obvode. Napríklad, ak používate 30V zariadenie na 30V napájacom zdroji s 100mV, 5ns špičkou, napätie prekročí absolútnu maximálnu hranicu zariadenia a zariadenie môže prejsť do lavínového režimu. V tomto prípade nie je možné zaručiť spoľahlivosť MOSFET. Pri vysokých teplotách môže teplotný koeficient výrazne zmeniť prierazné napätie. Napríklad niektoré N-kanálové MOSFETy s menovitým napätím 600 V majú kladný teplotný koeficient. Keď sa blížia k maximálnej teplote spojenia, teplotný koeficient spôsobí, že sa tieto MOSFETy správajú ako 650V MOSFETy. Konštrukčné pravidlá mnohých používateľov MOSFET vyžadujú faktor zníženia od 10 % do 20 %. V niektorých konštrukciách, ak vezmeme do úvahy, že skutočné prierazné napätie je o 5 % až 10 % vyššie ako menovitá hodnota pri 25 °C, k skutočnému dizajnu sa pridá zodpovedajúca užitočná konštrukčná rezerva, čo je pre konštrukciu veľmi výhodné. Rovnako dôležité pre správny výber MOSFETov je pochopenie úlohy hradlového zdroja napätia VGS počas procesu vedenia. Toto napätie je napätie, ktoré zaisťuje plnú vodivosť MOSFET za daného maximálneho RDS (zapnutého) stavu. To je dôvod, prečo je odpor vždy spojený s úrovňou VGS a iba pri tomto napätí je možné zariadenie zapnúť. Dôležitým dôsledkom konštrukcie je, že nemôžete úplne zapnúť MOSFET s napätím nižším, ako je minimálne VGS použité na dosiahnutie hodnotenia RDS(on). Napríklad, ak chcete úplne zapnúť MOSFET pomocou 3,3 V mikrokontroléra, musíte mať možnosť zapnúť MOSFET pri VGS = 2,5 V alebo nižšej.
Odpor, náboj brány a „číslo zásluh“
On-odpor MOSFET je vždy určený pri jednom alebo viacerých napätiach medzi hradlom a zdrojom. Maximálny limit RDS(on) môže byť o 20 % až 50 % vyšší ako typická hodnota. Maximálny limit RDS(on) sa zvyčajne vzťahuje na hodnotu pri teplote prechodu 25°C. Pri vyšších teplotách sa RDS(on) môže zvýšiť o 30% až 150%, ako je znázornené na obrázku 1. Keďže RDS(on) sa mení s teplotou a nie je možné zaručiť minimálnu hodnotu odporu, detekcia prúdu na základe RDS(on) nie je veľmi presná metóda.
Obrázok 1 RDS (zapnuté) sa zvyšuje s teplotou v rozsahu 30 % až 150 % maximálnej prevádzkovej teploty
Odpor je veľmi dôležitý pre MOSFET s N-kanálovým aj P-kanálovým kanálom. V spínaných zdrojoch napájania je Qg kľúčovým výberovým kritériom pre N-kanálové MOSFETy používané v spínaných zdrojoch napájania, pretože Qg ovplyvňuje spínacie straty. Tieto straty majú dva účinky: jedným je spínací čas, ktorý ovplyvňuje zapnutie a vypnutie MOSFET; druhá je energia potrebná na nabitie kapacity brány počas každého spínacieho procesu. Jedna vec, ktorú treba mať na pamäti, je, že Qg závisí od napätia zdroja brány, aj keď použitie nižšieho Vgs znižuje spínacie straty. Ako rýchly spôsob porovnania MOSFETov určených na použitie v spínacích aplikáciách návrhári často používajú jednotný vzorec pozostávajúci z RDS(on) pre straty vo vedení a Qg pre straty pri spínaní: RDS(on)xQg. Tento "údaj za zásluhy" (FOM) sumarizuje výkon zariadenia a umožňuje porovnávanie MOSFETov z hľadiska typických alebo maximálnych hodnôt. Aby ste zabezpečili presné porovnanie medzi zariadeniami, musíte sa uistiť, že pre RDS(on) a Qg sa používa rovnaký VGS a že typické a maximálne hodnoty sa v publikácii náhodou nezmiešajú. Nižšia FOM vám poskytne lepší výkon pri prepínaní aplikácií, ale nie je to zaručené. Najlepšie výsledky porovnania možno získať iba v skutočnom obvode a v niektorých prípadoch môže byť potrebné obvod jemne doladiť pre každý MOSFET. Menovitý prúd a stratový výkon, na základe rôznych testovacích podmienok, väčšina MOSFETov má v údajovom liste jeden alebo viac trvalých odberových prúdov. Budete si chcieť pozorne pozrieť údajový list, aby ste zistili, či je hodnotenie pri špecifikovanej teplote puzdra (napr. TC=25°C) alebo teplote okolia (napr. TA=25°C). Ktorá z týchto hodnôt je najrelevantnejšia, bude závisieť od charakteristík zariadenia a použitia (pozri obrázok 2).
Obrázok 2 Všetky hodnoty absolútneho maximálneho prúdu a výkonu sú skutočné údaje
V prípade malých zariadení na povrchovú montáž používaných v ručných zariadeniach môže byť najrelevantnejšia úroveň prúdu pri teplote okolia 70 °C. Pre veľké zariadenia s chladičmi a núteným chladením vzduchom môže byť aktuálna úroveň pri TA=25 °C bližšia skutočnej situácii. Pre niektoré zariadenia dokáže matrica pri maximálnej teplote spojenia spracovať väčší prúd, než je limit balenia. V niektorých údajových listoch je táto „obmedzená“ aktuálna úroveň dodatočnou informáciou k aktuálnej úrovni „obmedzená balíkom“, ktorá vám môže poskytnúť predstavu o robustnosti nástroja. Podobné úvahy platia pre kontinuálny stratový výkon, ktorý závisí nielen od teploty, ale aj od času. Predstavte si zariadenie pracujúce nepretržite pri PD=4W počas 10 sekúnd pri TA=70℃. Čo predstavuje „nepretržité“ časové obdobie sa bude líšiť v závislosti od balíka MOSFET, takže budete chcieť použiť graf normalizovanej tepelnej prechodovej impedancie z údajového listu, aby ste videli, ako vyzerá strata energie po 10 sekundách, 100 sekundách alebo 10 minútach. . Ako je znázornené na obrázku 3, koeficient tepelného odporu tohto špecializovaného zariadenia po 10-sekundovom impulze je približne 0,33, čo znamená, že akonáhle obal dosiahne tepelnú saturáciu po približne 10 minútach, kapacita zariadenia na odvádzanie tepla je len 1,33 W namiesto 4 W. . Aj keď kapacita odvodu tepla zariadenia môže pri dobrom chladení dosiahnuť asi 2W.
Obrázok 3 Tepelný odpor MOSFETu pri použití impulzu napájania
V skutočnosti môžeme rozdeliť spôsob výberu MOSFET do štyroch krokov.
Prvý krok: vyberte N kanál alebo P kanál
Prvým krokom pri výbere správneho zariadenia pre váš dizajn je rozhodnutie, či použijete N-kanálový alebo P-kanálový MOSFET. V typickej aplikácii napájania, keď je MOSFET pripojený k zemi a záťaž je pripojená k sieťovému napätiu, MOSFET tvorí spínač na nízkej strane. V prepínači na nízkej strane by sa mali použiť N-kanálové MOSFETy vzhľadom na napätie potrebné na vypnutie alebo zapnutie zariadenia. Keď je MOSFET pripojený k zbernici a záťaži k zemi, použije sa prepínač na vysokej strane. V tejto topológii sa zvyčajne používajú P-kanálové MOSFETy, čo je tiež spôsobené úvahami o napäťovom pohone. Ak chcete vybrať správne zariadenie pre vašu aplikáciu, musíte určiť napätie potrebné na pohon zariadenia a najjednoduchší spôsob, ako to urobiť vo svojom návrhu. Ďalším krokom je určenie požadovaného menovitého napätia alebo maximálneho napätia, ktoré zariadenie vydrží. Čím vyššie je napätie, tým vyššia je cena zariadenia. Podľa praktických skúseností by menovité napätie malo byť väčšie ako sieťové napätie alebo napätie zbernice. To poskytne dostatočnú ochranu, aby MOSFET nezlyhal. Pri výbere MOSFETu je potrebné určiť maximálne napätie, ktoré je možné tolerovať z odtoku do zdroja, to znamená maximálne VDS. Je dôležité vedieť, že maximálne napätie, ktoré MOSFET vydrží, sa mení s teplotou. Konštruktéri musia testovať zmeny napätia v celom rozsahu prevádzkových teplôt. Menovité napätie musí mať dostatočnú rezervu na pokrytie tohto variačného rozsahu, aby sa zabezpečilo, že obvod nezlyhá. Medzi ďalšie bezpečnostné faktory, ktoré musia dizajnéri zvážiť, patria napäťové prechody indukované spínacou elektronikou, ako sú motory alebo transformátory. Menovité napätia sa líšia pre rôzne aplikácie; typicky 20V pre prenosné zariadenia, 20-30V pre napájacie zdroje FPGA a 450-600V pre 85-220VAC aplikácie.
Krok 2: Stanovte menovitý prúd
Druhým krokom je výber aktuálneho hodnotenia MOSFET. V závislosti od konfigurácie obvodu by mal byť tento menovitý prúd maximálnym prúdom, ktorý záťaž vydrží za každých okolností. Podobne ako pri napäťovej situácii musí konštruktér zabezpečiť, aby zvolený MOSFET odolal tejto hodnote prúdu, aj keď systém generuje prúdové špičky. Uvažované dve aktuálne podmienky sú kontinuálny režim a pulzná špička. V režime nepretržitého vedenia je MOSFET v ustálenom stave, kde prúd prúdi nepretržite cez zariadenie. Impulzná špička sa týka veľkého nárazu (alebo špičkového prúdu), ktorý preteká zariadením. Keď je stanovený maximálny prúd za týchto podmienok, je to jednoducho záležitosť výberu zariadenia, ktoré zvládne tento maximálny prúd. Po výbere menovitého prúdu je potrebné vypočítať aj stratu vedenia. V skutočných situáciách nie je MOSFET ideálnym zariadením, pretože počas procesu vedenia dochádza k strate elektrickej energie, ktorá sa nazýva strata vedenia. MOSFET sa správa ako premenlivý odpor, keď je "zapnutý", čo je určené RDS(ON) zariadenia a výrazne sa mení s teplotou. Stratu výkonu zariadenia možno vypočítať pomocou Iload2×RDS(ON). Pretože sa odpor pri zapnutí mení s teplotou, bude sa proporcionálne meniť aj strata výkonu. Čím vyššie je napätie VGS aplikované na MOSFET, tým menšie bude RDS(ON); naopak, čím vyššie bude RDS(ON). Pre dizajnéra systému to je miesto, kde prichádzajú kompromisy v závislosti od napätia systému. Pre prenosné konštrukcie je jednoduchšie (a bežnejšie) použiť nižšie napätie, zatiaľ čo pre priemyselné konštrukcie je možné použiť vyššie napätie. Všimnite si, že odpor RDS(ON) sa s prúdom mierne zvýši. Zmeny rôznych elektrických parametrov odporu RDS(ON) nájdete v technickom liste poskytnutom výrobcom. Technológia má významný vplyv na charakteristiky zariadenia, pretože niektoré technológie majú tendenciu zvyšovať RDS(ON) pri zvyšovaní maximálnej VDS. Pre takúto technológiu, ak máte v úmysle znížiť VDS a RDS(ON), musíte zväčšiť veľkosť čipu, čím sa zvýši zodpovedajúca veľkosť balíka a súvisiace náklady na vývoj. V tomto odvetví existuje niekoľko technológií, ktoré sa snažia kontrolovať nárast veľkosti čipu, z ktorých najdôležitejšie sú technológie na vyrovnávanie kanálov a nábojov. V zákopovej technológii je do plátku zabudovaná hlboká priekopa, zvyčajne vyhradená pre nízke napätie, aby sa znížil odpor RDS(ON). Aby sa znížil vplyv maximálneho VDS na RDS(ON), počas procesu vývoja sa použil proces epitaxnej rastovej kolóny/leptania. Napríklad Fairchild Semiconductor vyvinul technológiu s názvom SuperFET, ktorá pridáva ďalšie výrobné kroky na redukciu RDS(ON). Toto zameranie na RDS(ON) je dôležité, pretože so zvyšujúcim sa prierazným napätím štandardného MOSFETu sa RDS(ON) zvyšuje exponenciálne a vedie k zvýšeniu veľkosti matrice. Proces SuperFET mení exponenciálny vzťah medzi RDS(ON) a veľkosťou plátku na lineárny vzťah. Týmto spôsobom môžu zariadenia SuperFET dosiahnuť ideálne nízke RDS (ON) v malých veľkostiach matrice, dokonca aj pri prieraznom napätí až 600 V. Výsledkom je, že veľkosť plátku sa môže zmenšiť až o 35 %. Pre koncových používateľov to znamená výrazné zníženie veľkosti balíka.
Tretí krok: Stanovte si tepelné požiadavky
Ďalším krokom pri výbere MOSFET je výpočet tepelných požiadaviek systému. Dizajnéri musia zvážiť dva rôzne scenáre, najhorší scenár a scenár reálneho sveta. Odporúča sa použiť výsledok výpočtu v najhoršom prípade, pretože tento výsledok poskytuje väčšiu bezpečnostnú rezervu a zaisťuje, že systém nezlyhá. V údajovom liste MOSFET je tiež potrebné venovať pozornosť niektorým nameraným údajom; ako je tepelný odpor medzi polovodičovým spojom zabaleného zariadenia a prostredím a maximálna teplota spoja. Teplota spoja zariadenia sa rovná maximálnej teplote okolia plus súčinu tepelného odporu a straty výkonu (teplota spoja = maximálna teplota okolia + [tepelný odpor × strata výkonu]). Podľa tejto rovnice možno vyriešiť maximálny stratový výkon systému, ktorý sa podľa definície rovná I2×RDS(ON). Keďže konštruktér určil maximálny prúd, ktorý prejde zariadením, RDS(ON) možno vypočítať pri rôznych teplotách. Stojí za zmienku, že pri práci s jednoduchými tepelnými modelmi musia dizajnéri zvážiť aj tepelnú kapacitu polovodičového prechodu/skriňa zariadenia a skrine/prostredia; to si vyžaduje, aby sa doska plošných spojov a obal ihneď nezohrievali. Lavínový rozpad znamená, že spätné napätie na polovodičovom zariadení prekročí maximálnu hodnotu a vytvorí silné elektrické pole na zvýšenie prúdu v zariadení. Tento prúd rozptýli energiu, zvýši teplotu zariadenia a môže poškodiť zariadenie. Polovodičové spoločnosti vykonajú lavínové testovanie zariadení, vypočítajú ich lavínové napätie alebo otestujú robustnosť zariadenia. Existujú dva spôsoby výpočtu menovitého lavínového napätia; jedna je štatistická metóda a druhá je tepelný výpočet. Tepelný výpočet je široko používaný, pretože je praktickejší. Mnohé spoločnosti poskytli podrobnosti o testovaní svojich zariadení. Napríklad Fairchild Semiconductor poskytuje „Pokyny pre lavínový výkon MOSFET“ (Pokyny pre lavínové výkonové MOSFET – možno si stiahnuť z webovej stránky Fairchild). Veľký vplyv na lavínový efekt má okrem výpočtovej techniky aj technika. Napríklad zväčšenie veľkosti matrice zvyšuje odolnosť proti lavínam a v konečnom dôsledku zvyšuje robustnosť zariadenia. Pre koncových používateľov to znamená používanie väčších balíkov v systéme.
Krok 4: Určite výkon prepínača
Posledným krokom pri výbere MOSFET je určenie spínacieho výkonu MOSFET. Existuje veľa parametrov, ktoré ovplyvňujú výkon spínania, ale najdôležitejšie sú kapacita hradla/odvodu, hradla/zdroja a odtoku/zdroja. Tieto kondenzátory vytvárajú spínacie straty v zariadení, pretože sa nabíjajú pri každom prepnutí. Rýchlosť spínania tranzistorov MOSFET je preto znížená a účinnosť zariadenia je tiež znížená. Na výpočet celkových strát v zariadení pri spínaní musí projektant vypočítať straty pri zapnutí (Eon) a straty pri vypnutí (Eoff). Celkový výkon MOSFET spínača možno vyjadriť nasledujúcou rovnicou: Psw=(Eon+Eoff)×spínacia frekvencia. Na spínací výkon má najväčší vplyv hradlový náboj (Qgd). Na základe dôležitosti výkonu spínania sa neustále vyvíjajú nové technológie na vyriešenie tohto problému s prepínaním. Zväčšenie veľkosti čipu zvyšuje náboj brány; tým sa zväčší veľkosť zariadenia. Aby sa znížili straty pri prepínaní, objavili sa nové technológie, ako je oxidácia dna hrubého kanála, ktorých cieľom je znížiť náboj na hradle. Napríklad nová technológia SuperFET môže minimalizovať straty vo vedení a zlepšiť výkon spínania znížením RDS(ON) a náboja hradla (Qg). Týmto spôsobom si MOSFETy dokážu poradiť s vysokorýchlostnými prechodovými javmi napätia (dv/dt) a prúdovými prechodmi (di/dt) počas spínania a dokonca môžu spoľahlivo fungovať aj pri vyšších spínacích frekvenciách.
Čas odoslania: 23. októbra 2023
