Pochopte MOSFET v jednom článku

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 vyššie sú náklady na zariadenie. 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 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.