Förstå MOSFET i en artikel

Figur 3 Termisk resistans för MOSFET när effektpuls appliceras

Faktum är att vi kan dela in hur man väljer MOSFET i fyra steg.

Det första steget: välj N-kanal eller P-kanal

Det första steget i att välja rätt enhet för din design är att bestämma om du ska använda en N-kanal eller P-kanal MOSFET. I en typisk krafttillämpning, när en MOSFET är ansluten till jord och belastningen är ansluten till nätspänningen, bildar MOSFET lågsidans omkopplare. I lågsidans omkopplare bör N-kanals MOSFET:er användas på grund av hänsyn till den spänning som krävs för att stänga av eller slå på enheten. När MOSFET är ansluten till bussen och laddar till jord, används en högsidesbrytare. P-kanals MOSFET:er används vanligtvis i denna topologi, vilket också beror på spänningsdrivningsöverväganden. För att välja rätt enhet för din applikation måste du bestämma den spänning som krävs för att driva enheten och det enklaste sättet att göra det i din design. Nästa steg är att bestämma den spänning som krävs, eller den maximala spänning som enheten kan motstå. Ju högre spänningsklass, desto högre kostnad för enheten. Enligt praktisk erfarenhet bör märkspänningen vara större än nätspänningen eller bussspänningen. Detta kommer att ge tillräckligt skydd så att MOSFET inte kommer att misslyckas. När du väljer en MOSFET är det nödvändigt att bestämma den maximala spänningen som kan tolereras från avloppet till källan, det vill säga den maximala VDS. Det är viktigt att veta att den maximala spänningen som en MOSFET tål ändras med temperaturen. Konstruktörer måste testa spänningsvariationer över hela driftstemperaturområdet. Märkspänningen måste ha tillräckligt med marginal för att täcka detta variationsområde för att säkerställa att kretsen inte kommer att gå sönder. Andra säkerhetsfaktorer som konstruktionsingenjörer måste överväga inkluderar spänningstransienter som induceras av switchande elektronik såsom motorer eller transformatorer. Märkspänningarna varierar för olika applikationer; vanligtvis 20V för bärbara enheter, 20-30V för FPGA-strömförsörjning och 450-600V för 85-220VAC-applikationer.

Steg 2: Bestäm märkströmmen

Det andra steget är att välja aktuell klassificering av MOSFET. Beroende på kretskonfigurationen bör denna märkström vara den maximala ström som belastningen kan motstå under alla omständigheter. I likhet med spänningssituationen måste konstruktören säkerställa att den valda MOSFET-enheten kan motstå denna strömstyrka, även när systemet genererar strömspikar. De två aktuella strömförhållandena är kontinuerligt läge och pulsspik. I kontinuerligt ledningsläge är MOSFET:en i ett stabilt tillstånd, där ström flyter kontinuerligt genom enheten. En pulsspik hänvisar till en stor våg (eller spikström) som flyter genom enheten. När den maximala strömmen under dessa förhållanden har bestämts är det helt enkelt en fråga om att välja en enhet som kan hantera denna maximala ström. Efter val av märkström måste även ledningsförlusten beräknas. I faktiska situationer är MOSFET inte en idealisk enhet eftersom det finns elektrisk energiförlust under ledningsprocessen, vilket kallas ledningsförlust. En MOSFET beter sig som ett variabelt motstånd när den är "på", vilket bestäms av enhetens RDS(ON) och ändras avsevärt med temperaturen. Strömförlusten för enheten kan beräknas med Iload2×RDS(ON). Eftersom på-motståndet ändras med temperaturen kommer effektförlusten också att ändras proportionellt. Ju högre spänning VGS som appliceras på MOSFET, desto mindre kommer RDS(ON) att vara; omvänt, ju högre RDS(ON) blir. För systemdesignern är det här avvägningarna kommer in beroende på systemspänningen. För bärbara konstruktioner är det lättare (och vanligare) att använda lägre spänningar, medan för industriella konstruktioner kan högre spänningar användas. Observera att RDS(ON)-resistansen kommer att stiga något med strömmen. Variationer i olika elektriska parametrar för RDS(ON)-motståndet finns i det tekniska databladet som tillhandahålls av tillverkaren. Tekniken har en betydande inverkan på enhetens egenskaper, eftersom vissa tekniker tenderar att öka RDS(ON) när den maximala VDS ökar. För en sådan teknik, om du avser att minska VDS och RDS(ON), måste du öka chipstorleken, och därmed öka den matchande paketstorleken och relaterade utvecklingskostnader. Det finns flera tekniker i branschen som försöker kontrollera ökningen av chipstorleken, varav de viktigaste är kanal- och laddningsbalanserande teknologier. Inom trench-teknik är ett djupt trench inbäddat i wafern, vanligtvis reserverat för låga spänningar, för att minska på-motståndet RDS(ON). För att minska effekten av maximal VDS på RDS(ON), användes en epitaxiell tillväxtkolonn/etsningskolonnprocess under utvecklingsprocessen. Till exempel har Fairchild Semiconductor utvecklat en teknik som kallas SuperFET som lägger till ytterligare tillverkningssteg för RDS(ON)-reduktion. Detta fokus på RDS(ON) är viktigt eftersom genombrottsspänningen för en standard MOSFET ökar, ökar RDS(ON) exponentiellt och leder till en ökning av formstorleken. SuperFET-processen ändrar det exponentiella förhållandet mellan RDS(ON) och waferstorlek till ett linjärt förhållande. På detta sätt kan SuperFET-enheter uppnå idealisk låg RDS(ON) i små formstorlekar, även med genomslagsspänningar upp till 600V. Resultatet är att waferstorleken kan minskas med upp till 35 %. För slutanvändare innebär detta en betydande minskning av paketstorleken.

Steg tre: Bestäm termiska krav

Nästa steg i valet av en MOSFET är att beräkna systemets termiska krav. Designers måste överväga två olika scenarier, det värsta scenariot och det verkliga scenariot. Det rekommenderas att använda det värsta tänkbara beräkningsresultatet, eftersom detta resultat ger en större säkerhetsmarginal och säkerställer att systemet inte kommer att gå sönder. Det finns också vissa mätdata som behöver uppmärksamhet på MOSFET-databladet; såsom den termiska resistansen mellan halvledarövergången hos den förpackade anordningen och miljön, och den maximala övergångstemperaturen. Anordningens kopplingstemperatur är lika med den maximala omgivningstemperaturen plus produkten av termiskt motstånd och effektförlust (övergångstemperatur = maximal omgivningstemperatur + [termiskt motstånd × effektförlust]). Enligt denna ekvation kan systemets maximala effektförlust lösas, vilket är lika med I2×RDS(ON) per definition. Eftersom konstruktören har bestämt den maximala ström som kommer att passera genom enheten, kan RDS(ON) beräknas vid olika temperaturer. Det är värt att notera att när de arbetar med enkla termiska modeller måste designers också beakta den termiska kapaciteten hos halvledarövergången/enhetshöljet och höljet/miljön; detta kräver att kretskortet och förpackningen inte värms upp omedelbart. Lavinavbrott innebär att backspänningen på halvledarenheten överstiger maxvärdet och bildar ett starkt elektriskt fält för att öka strömmen i enheten. Denna ström kommer att avleda ström, öka enhetens temperatur och eventuellt skada enheten. Halvledarföretag kommer att utföra lavintestning på enheter, beräkna deras lavinspänning eller testa enhetens robusthet. Det finns två metoder för att beräkna den märkta lavinspänningen; en är statistisk metod och den andra är termisk beräkning. Termisk beräkning används ofta eftersom det är mer praktiskt. Många företag har tillhandahållit information om sina enhetstester. Till exempel tillhandahåller Fairchild Semiconductor "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines - kan laddas ner från Fairchilds webbplats). Förutom datoranvändning har tekniken också ett stort inflytande på lavineffekten. Till exempel ökar en ökning av formstorleken lavinmotstånd och ökar slutligen enhetens robusthet. För slutanvändare innebär det att man använder större paket i systemet.

Steg 4: Bestäm switchens prestanda

Det sista steget i valet av en MOSFET är att bestämma omkopplingsprestandan för MOSFET. Det finns många parametrar som påverkar switchprestanda, men de viktigaste är gate/drain, gate/source och drain/source kapacitans. Dessa kondensatorer skapar omkopplingsförluster i enheten eftersom de laddas varje gång de byter. Omkopplingshastigheten för MOSFET reduceras därför, och enhetens effektivitet reduceras också. För att beräkna de totala förlusterna i en enhet under omkoppling, måste konstruktören beräkna förlusterna under påslagning (Eon) och förlusterna under avstängning (Eoff). Den totala effekten hos MOSFET-omkopplaren kan uttryckas med följande ekvation: Psw=(Eon+Eoff)×växlingsfrekvens. Grindladdningen (Qgd) har störst inverkan på växlingsprestandan. Baserat på vikten av växlingsprestanda utvecklas ständigt nya teknologier för att lösa detta växlingsproblem. Ökande chipstorlek ökar grindens laddning; detta ökar enhetens storlek. För att minska kopplingsförlusterna har nya teknologier som oxidation av kanaltjockbotten dykt upp, som syftar till att minska grindladdningen. Till exempel kan den nya tekniken SuperFET minimera ledningsförluster och förbättra switchprestanda genom att minska RDS(ON) och gate charge (Qg). På detta sätt kan MOSFET:er klara av höghastighetsspänningstransienter (dv/dt) och strömtransienter (di/dt) under omkoppling, och kan till och med fungera pålitligt vid högre switchfrekvenser.