Forstå MOSFET i én artikel

Figur 3 Termisk modstand af MOSFET, når effektimpuls påføres

Faktisk kan vi opdele, hvordan man vælger MOSFET i fire trin.

Det første trin: vælg N-kanal eller P-kanal

Det første trin i at vælge den rigtige enhed til dit design er at beslutte, om du vil bruge en N-kanal eller P-kanal MOSFET. I en typisk strømapplikation, når en MOSFET er forbundet til jord, og belastningen er forbundet til netspændingen, danner MOSFET'en lavsidekontakten. I lavsidekontakten bør der bruges N-kanal MOSFET'er på grund af overvejelser om den spænding, der kræves for at slukke eller tænde enheden. Når MOSFET'en er forbundet til bussen og indlæses til jord, bruges en højsidekontakt. P-kanal MOSFET'er bruges normalt i denne topologi, hvilket også skyldes spændingsdrev overvejelser. For at vælge den rigtige enhed til din applikation skal du bestemme den spænding, der kræves for at drive enheden, og den nemmeste måde at gøre det på i dit design. Det næste trin er at bestemme den nødvendige spændingsværdi eller den maksimale spænding enheden kan modstå. Jo højere spændingsværdien er, jo højere er prisen på enheden. Ifølge praktisk erfaring skal den nominelle spænding være større end netspændingen eller busspændingen. Dette vil give tilstrækkelig beskyttelse, så MOSFET'en ikke fejler. Når du vælger en MOSFET, er det nødvendigt at bestemme den maksimale spænding, der kan tolereres fra drænet til kilden, det vil sige den maksimale VDS. Det er vigtigt at vide, at den maksimale spænding en MOSFET kan modstå ændres med temperaturen. Konstruktører skal teste spændingsvariationer over hele driftstemperaturområdet. Den nominelle spænding skal have tilstrækkelig margin til at dække dette variationsområde for at sikre, at kredsløbet ikke svigter. Andre sikkerhedsfaktorer, som designingeniører skal overveje, omfatter spændingstransienter induceret af koblingselektronik såsom motorer eller transformere. Nominelle spændinger varierer for forskellige applikationer; typisk 20V til bærbare enheder, 20-30V til FPGA-strømforsyninger og 450-600V til 85-220VAC-applikationer.

Trin 2: Bestem mærkestrømmen

Det andet trin er at vælge den aktuelle rating for MOSFET. Afhængigt af kredsløbskonfigurationen bør denne mærkestrøm være den maksimale strøm, som belastningen kan modstå under alle omstændigheder. I lighed med spændingssituationen skal designeren sikre, at den valgte MOSFET kan modstå denne strømværdi, selv når systemet genererer strømspidser. De to overvejede aktuelle forhold er kontinuerlig tilstand og pulsspids. I kontinuerlig ledningstilstand er MOSFET'en i en stabil tilstand, hvor strømmen løber kontinuerligt gennem enheden. En pulsspids refererer til en stor bølge (eller spidsstrøm), der strømmer gennem enheden. Når den maksimale strøm under disse forhold er bestemt, er det blot et spørgsmål om at vælge en enhed, der kan håndtere denne maksimale strøm. Efter valg af mærkestrømmen skal ledningstabet også beregnes. I faktiske situationer er MOSFET ikke en ideel enhed, fordi der er elektrisk energitab under ledningsprocessen, som kaldes ledningstab. En MOSFET opfører sig som en variabel modstand, når den er "tændt", som bestemmes af enhedens RDS(ON) og ændrer sig væsentligt med temperaturen. Enhedens strømtab kan beregnes ved Iload2×RDS(ON). Da tænd-modstanden ændrer sig med temperaturen, vil effekttabet også ændre sig proportionalt. Jo højere spænding VGS påført til MOSFET, jo mindre vil RDS(ON) være; omvendt, jo højere RDS(ON) vil være. For systemdesigneren er det her, afvejningen kommer ind afhængigt af systemspændingen. For bærbare designs er det lettere (og mere almindeligt) at bruge lavere spændinger, mens der til industrielle designs kan bruges højere spændinger. Bemærk, at RDS(ON)-modstanden vil stige lidt med strømmen. Variationer i forskellige elektriske parametre for RDS(ON)-modstanden kan findes i det tekniske datablad fra producenten. Teknologi har en betydelig indflydelse på enhedens karakteristika, fordi nogle teknologier har en tendens til at øge RDS(ON), når den maksimale VDS øges. For en sådan teknologi, hvis du har til hensigt at reducere VDS og RDS(ON), er du nødt til at øge chipstørrelsen og derved øge den matchende pakkestørrelse og relaterede udviklingsomkostninger. Der er flere teknologier i industrien, der forsøger at kontrollere stigningen i chipstørrelsen, hvoraf de vigtigste er kanal- og ladningsbalanceringsteknologier. I skyttegravsteknologi er en dyb rende indlejret i waferen, normalt reserveret til lave spændinger, for at reducere RDS(ON)-modstanden. For at reducere indvirkningen af ​​maksimal VDS på RDS(ON) blev der anvendt en epitaksial vækstsøjle/ætsningssøjleproces under udviklingsprocessen. For eksempel har Fairchild Semiconductor udviklet en teknologi kaldet SuperFET, der tilføjer yderligere produktionstrin til RDS(ON)-reduktion. Dette fokus på RDS(ON) er vigtigt, fordi efterhånden som nedbrydningsspændingen af ​​en standard MOSFET stiger, stiger RDS(ON) eksponentielt og fører til en stigning i matricestørrelsen. SuperFET-processen ændrer det eksponentielle forhold mellem RDS(ON) og waferstørrelse til et lineært forhold. På denne måde kan SuperFET-enheder opnå ideel lav RDS(ON) i små matricestørrelser, selv med gennembrudsspændinger op til 600V. Resultatet er, at waferstørrelsen kan reduceres med op til 35%. For slutbrugere betyder det en væsentlig reduktion i pakkestørrelse.

Trin tre: Bestem termiske krav

Det næste trin i valget af en MOSFET er at beregne de termiske krav til systemet. Designere skal overveje to forskellige scenarier, det værste scenario og det virkelige scenarie. Det anbefales at bruge worst-case beregningsresultatet, fordi dette resultat giver en større sikkerhedsmargin og sikrer, at systemet ikke fejler. Der er også nogle måledata, der kræver opmærksomhed på MOSFET-databladet; såsom den termiske modstand mellem halvlederforbindelsen af ​​den emballerede enhed og miljøet og den maksimale overgangstemperatur. Enhedens overgangstemperatur er lig med den maksimale omgivende temperatur plus produktet af termisk modstand og effekttab (overgangstemperatur = maksimal omgivelsestemperatur + [termisk modstand × effekttab]). Ifølge denne ligning kan systemets maksimale effekttab løses, hvilket er lig med I2×RDS(ON) per definition. Da designeren har bestemt den maksimale strøm, der vil passere gennem enheden, kan RDS(ON) beregnes ved forskellige temperaturer. Det er værd at bemærke, at når de beskæftiger sig med simple termiske modeller, skal designere også overveje den termiske kapacitet af halvlederforbindelsen/enhedens kabinet og kabinet/miljø; dette kræver, at printpladen og pakken ikke opvarmes med det samme. Lavinesammenbrud betyder, at den omvendte spænding på halvlederenheden overstiger den maksimale værdi og danner et stærkt elektrisk felt for at øge strømmen i enheden. Denne strøm vil sprede strøm, øge temperaturen på enheden og muligvis beskadige enheden. Halvlederfirmaer vil udføre lavinetest på enheder, beregne deres lavinespænding eller teste enhedens robusthed. Der er to metoder til at beregne nominel lavinespænding; den ene er statistisk metode og den anden er termisk beregning. Termisk beregning er meget brugt, fordi det er mere praktisk. Mange virksomheder har givet detaljer om deres enhedstest. For eksempel leverer Fairchild Semiconductor "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines - kan downloades fra Fairchilds hjemmeside). Udover computing har teknologien også stor indflydelse på lavineeffekten. For eksempel øger en stigning i matricestørrelsen lavinemodstanden og øger i sidste ende enhedens robusthed. For slutbrugere betyder det brug af større pakker i systemet.

Trin 4: Bestem switchens ydeevne

Det sidste trin i udvælgelsen af ​​en MOSFET er at bestemme omskiftningsydelsen for MOSFET. Der er mange parametre, der påvirker koblingsydelsen, men de vigtigste er gate/drain, gate/source og drain/source kapacitans. Disse kondensatorer skaber koblingstab i enheden, fordi de oplades, hver gang de skifter. Omskiftningshastigheden for MOSFET er derfor reduceret, og enhedens effektivitet reduceres også. For at beregne de samlede tab i en enhed under skift, skal designeren beregne tabene under tænding (Eon) og tabene under sluk (Eoff). MOSFET-switchens samlede effekt kan udtrykkes ved følgende ligning: Psw=(Eon+Eoff)×switching frekvens. Gateladningen (Qgd) har den største indflydelse på koblingsydelsen. Baseret på vigtigheden af ​​at skifte ydeevne, udvikles der konstant nye teknologier til at løse dette skifteproblem. Forøgelse af chipstørrelsen øger portladningen; dette øger enhedens størrelse. For at reducere koblingstab er der opstået nye teknologier såsom kanaltykbundsoxidation, der sigter mod at reducere gate charge. For eksempel kan den nye teknologi SuperFET minimere ledningstab og forbedre switchydeevnen ved at reducere RDS(ON) og gate charge (Qg). På denne måde kan MOSFET'er klare højhastighedsspændingstransienter (dv/dt) og strømtransienter (di/dt) under skift og kan endda fungere pålideligt ved højere koblingsfrekvenser.