Shvatite MOSFET u jednom članku

Energetski poluvodički uređaji imaju široku primjenu u industriji, potrošnji, vojsci i drugim područjima te imaju visok strateški položaj. Pogledajmo ukupnu sliku uređaja za napajanje sa slike:

Energetski poluvodički uređaji mogu se podijeliti na puni tip, polukontrolirani tip i nekontrolirani tip prema stupnju kontrole signala kruga. Ili prema svojstvima signala pogonskog kruga, može se podijeliti na tip pokretan naponom, tip pokretan strujom, itd.

Klasifikacija	tip	Specifični energetski poluvodički uređaji
Upravljivost električnih signala	Polu-kontrolirani tip	SCR
	Potpuna kontrola	GTO、GTR，MOSFET、IGBT
	Nekontrolirano	Power Diode
Svojstva pogonskog signala	Tip pokretan naponom	IGBT、MOSFET、SITH
Svojstva pogonskog signala	Trenutni pogonski tip	SCR、GTO、GTR
Efektivni valni oblik signala	Vrsta pulsnog okidača	SCR、GTO
Efektivni valni oblik signala	Vrsta elektroničkog upravljanja	GTR、MOSFET、IGBT
Situacije u kojima sudjeluju elektroni s strujom	bipolarni uređaj	Power Diode、SCR、GTO、GTR、BSIT、BJT
	Unipolarni uređaj	MOSFET、SIT
	Kompozitni uređaj	MCT, IGBT, SITH i IGCT

Različiti energetski poluvodički uređaji imaju različite karakteristike kao što su napon, strujni kapacitet, sposobnost impedancije i veličina. U stvarnoj uporabi potrebno je odabrati odgovarajuće uređaje prema različitim područjima i potrebama.

Različite karakteristike različitih energetskih poluvodičkih elemenata

Industrija poluvodiča prošla je kroz tri generacije materijalnih promjena od svog rođenja. Do sada se prvi poluvodički materijal predstavljen Silijem još uvijek uglavnom koristi u području energetskih poluvodičkih uređaja.

Poluvodički materijal		Razmak između pojaseva (eV)	Talište (K)	glavna primjena
Poluvodički materijali prve generacije	Ge	1.1	1221	Niskonaponski, niskofrekventni tranzistori srednje snage, fotodetektori
Poluvodički materijali 2. generacije	Si	0.7	1687
Poluvodički materijali 3. generacije	GaAs	1.4	1511	Mikrovalna pećnica, uređaji milimetarskih valova, uređaji koji emitiraju svjetlost
	SiC	3.05	2826	1. Visokotemperaturni, visokofrekventni uređaji velike snage otporni na zračenje 2. Plave, ljubičaste diode koje emitiraju svjetlost, poluvodički laseri
	GaN	3.4	1973. godine
	AIN	6.2	2470
	C	5.5	＞3800
	ZnO	3.37	2248

Sažeti karakteristike polu-kontroliranih i potpuno kontroliranih energetskih uređaja:

Vrsta uređaja	SCR	GTR	MOSFET	IGBT
Vrsta kontrole	Pulsni okidač	Tekuća kontrola	kontrola napona	filmsko središte
linija za samoisključivanje	Isključivanje komutacije	uređaj za samoisključivanje	uređaj za samoisključivanje	uređaj za samoisključivanje
radna frekvencija	<1khz	<30khz	20khz-Mhz	<40khz
Pogonska snaga	mali	velika	mali	mali
sklopni gubici	velika	velika	velika	velika
gubitak provođenja	mali	mali	velika	mali
Razina napona i struje	最大	velika	minimum	više
Tipične primjene	Indukcijsko grijanje srednje frekvencije	UPS pretvarač frekvencije	prekidačko napajanje	UPS pretvarač frekvencije
cijena	najniži	donji	u sredini	Najskuplji
učinak modulacije vodljivosti	imati	imati	nikakav	imati

Upoznajte MOSFET-ove

MOSFET ima visoku ulaznu impedanciju, nisku razinu buke i dobru toplinsku stabilnost; ima jednostavan proces proizvodnje i jako zračenje, pa se obično koristi u krugovima pojačala ili sklopnim krugovima;

(1) Glavni parametri odabira: napon odvod-izvor VDS (podnosivi napon), ID kontinuirana struja curenja, RDS(on) otpor pri uključenju, Ciss ulazni kapacitet (kapacitivnost spoja), faktor kvalitete FOM=Ron*Qg, itd.

(2) Prema različitim procesima, dijeli se na TrenchMOS: jarak MOSFET, uglavnom u niskonaponskom polju unutar 100V; SGT (Split Gate) MOSFET: MOSFET s podijeljenim vratima, uglavnom u polju srednjeg i niskog napona unutar 200V; SJ MOSFET: super spojni MOSFET, uglavnom u visokonaponskom polju 600-800V;

U prekidačkom napajanju, kao što je krug s otvorenim odvodom, odvod je spojen na netaknuto opterećenje, što se naziva otvoreni odvod. U krugu s otvorenim odvodom, bez obzira na to koliko je visok napon priključenog opterećenja, struja opterećenja može se uključiti i isključiti. To je idealan analogni sklopni uređaj. To je princip MOSFET-a kao sklopnog uređaja.

Što se tiče tržišnog udjela, MOSFET-ovi su gotovo svi koncentrirani u rukama velikih međunarodnih proizvođača. Među njima, Infineon je 2015. kupio IR (American International Rectifier Company) i postao lider u industriji. ON Semiconductor također je dovršio akviziciju Fairchild Semiconductora u rujnu 2016. , tržišni udio je skočio na drugo mjesto, a zatim su prodajni ljestvici bili Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna itd.;

Mainstream MOSFET marke podijeljene su u nekoliko serija: američke, japanske i korejske.

Američke serije: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS itd.;

Japanski: Toshiba, Renesas, ROHM itd.;

Korejske serije: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA

MOSFET kategorije paketa

Prema načinu ugradnje na PCB ploču, postoje dvije glavne vrste MOSFET paketa: plug-in (Through Hole) i površinska montaža (Surface Mount).

Plug-in tip znači da igle MOSFET-a prolaze kroz rupe za montiranje PCB ploče i zavarene su na PCB ploču. Uobičajeni plug-in paketi uključuju: dual in-line package (DIP), tranzistor outline package (TO) i pin grid array paket (PGA).

Plug-in pakiranje

Površinska montaža je mjesto gdje su MOSFET pinovi i prirubnica za raspršivanje topline zavareni na jastučiće na površini PCB ploče. Tipični paketi za površinsku montažu uključuju: obris tranzistora (D-PAK), tranzistor malog obrisa (SOT), paket malog obrisa (SOP), četverostruki ravni paket (QFP), plastični nosač čipa s olovom (PLCC) itd.

paket za površinsku montažu

S razvojem tehnologije, PCB ploče kao što su matične ploče i grafičke kartice trenutno koriste sve manje i manje pakiranja s izravnim utikačem, a više se koriste pakiranja za površinsku montažu.

1. Dual in-line paket (DIP)

DIP paket ima dva reda pinova i potrebno ga je umetnuti u utičnicu čipa s DIP strukturom. Njegova metoda derivacije je SDIP (Shrink DIP), što je dvostruki skupni paket. Gustoća pinova je 6 puta veća od one kod DIP-a.

Oblici DIP strukture pakiranja uključuju: višeslojnu keramičku dual-in-line DIP, jednoslojnu keramičku dual-in-line DIP, olovni okvir DIP (uključujući staklokeramičku vrstu brtvljenja, plastičnu inkapsuliranu strukturu, keramičku inkapsulaciju od stakla s niskim talištem tip) itd. Karakteristika DIP pakiranja je da se lako može ostvariti zavarivanje PCB ploča kroz rupe i ima dobru kompatibilnost s matičnom pločom.

Međutim, budući da su njegova površina i debljina pakiranja relativno velike, a igle se lako oštećuju tijekom procesa uključivanja i odvajanja, pouzdanost je loša. Istodobno, zbog utjecaja procesa, broj pinova uglavnom ne prelazi 100. Stoga se u procesu visoke integracije elektroničke industrije DIP pakiranje postupno povlači s pozornice povijesti.

2. Okvirni paket tranzistora (TO)

Rane specifikacije pakiranja, kao što su TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, itd. svi su plug-in dizajni pakiranja.

TO-3P/247: To je uobičajeni oblik pakiranja za srednje-visoke napone i MOSFET-ove velike struje. Proizvod ima karakteristike visokog otpornog napona i jake otpornosti na proboj.

TO-220/220F: TO-220F je potpuno plastično pakiranje i nema potrebe za dodavanjem izolacijske podloge prilikom postavljanja na radijator; TO-220 ima lim spojen na srednji klin, a prilikom postavljanja radijatora potrebna je izolacijska podloga. MOSFET-ovi ova dva stila pakiranja imaju sličan izgled i mogu se koristiti naizmjenično.

TO-251: Ovaj pakirani proizvod se uglavnom koristi za smanjenje troškova i veličine proizvoda. Uglavnom se koristi u okruženjima sa srednjim naponom i visokom strujom ispod 60A i visokim naponom ispod 7N.

TO-92: Ovaj se paket koristi samo za niskonaponske MOSFET-ove (struja ispod 10 A, otporni napon ispod 60 V) i visokonaponske 1N60/65, kako bi se smanjili troškovi.

Posljednjih godina, zbog visokih troškova zavarivanja procesa plug-in pakiranja i slabijeg učinka raspršivanja topline u odnosu na proizvode tipa krpa, potražnja na tržištu za površinsku montažu nastavila je rasti, što je također dovelo do razvoja TO ambalaže u ambalažu za površinsku montažu.

TO-252 (također nazvan D-PAK) i TO-263 (D2PAK) su paketi za površinsku montažu.。

TO pakirati izgled proizvoda

TO252/D-PAK je plastično pakiranje čipova koje se obično koristi za pakiranje tranzistora snage i čipova za stabilizaciju napona. To je jedan od trenutnih mainstream paketa. MOSFET koji koristi ovu metodu pakiranja ima tri elektrode, vrata (G), odvod (D) i izvor (S). Odvodni (D) klin je odrezan i ne koristi se. Umjesto toga, hladnjak sa stražnje strane koristi se kao odvod (D), koji je izravno zavaren na PCB. S jedne strane, koristi se za izlaz velikih struja, a s druge strane, odvodi toplinu kroz PCB. Stoga postoje tri D-PAK jastučića na PCB-u, a odvodni (D) jastučić je veći. Njegove specifikacije pakiranja su sljedeće:

Specifikacije veličine paketa TO-252/D-PAK

TO-263 je varijanta TO-220. Uglavnom je dizajniran za poboljšanje učinkovitosti proizvodnje i rasipanja topline. Podržava ekstremno visoku struju i napon. Češći je u srednjonaponskim visokostrujnim MOSFET-ima ispod 150 A i iznad 30 V. Uz D2PAK (TO-263AB), također uključuje TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 i druge stilove, koji su podređeni TO-263, uglavnom zbog različitog broja i udaljenosti pinova .

Specifikacije veličine paketa TO-263/D2PAK

Specifikacija veličine paketa TO-263/D2PAKs

3. Pin grid array package (PGA)

Postoji više kvadratnih pinova unutar i izvan PGA (Pin Grid Array Package) čipa. Svaki kvadratni niz pinova je raspoređen na određenoj udaljenosti oko čipa. Ovisno o broju pribadača, može se oblikovati u 2 do 5 krugova. Tijekom instalacije samo umetnite čip u posebnu PGA utičnicu. Ima prednosti jednostavnog uključivanja i isključivanja i visoke pouzdanosti te se može prilagoditi višim frekvencijama.

Stil paketa PGA

Većina podloga za čipove izrađena je od keramičkog materijala, a neke kao podlogu koriste posebnu plastičnu smolu. U tehnološkom smislu središnji razmak igle obično iznosi 2,54 mm, a broj igala se kreće od 64 do 447. Karakteristika ovakvog pakiranja je da što je manja površina (volumen) pakiranja, to je manja potrošnja energije (performanse). ) može izdržati, i obrnuto. Ovaj stil pakiranja čipova bio je uobičajeniji u ranim danima i uglavnom se koristio za pakiranje proizvoda visoke potrošnje energije kao što su procesori. Na primjer, svi Intelovi 80486 i Pentium koriste ovaj stil pakiranja; nije široko prihvaćen od strane MOSFET proizvođača.

4. Mali tranzistorski paket (SOT)

SOT (Small Out-Line Tranzistor) je mali paket tranzistora snage zakrpe, koji uglavnom uključuje SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (tj. SOT23-5), itd. SOT323, SOT363/SOT26 (tj. SOT23-6) i drugi tipovi su izvedenih, koji su manji po veličini od TO paketa.

Vrsta SOT paketa

SOT23 je uobičajeno korišteno kućište tranzistora s tri pina u obliku krila, naime kolektor, emiter i baza, koji su navedeni na obje strane duge strane komponente. Među njima su emiter i baza na istoj strani. Česti su u tranzistorima male snage, tranzistorima s efektom polja i kompozitnim tranzistorima s mrežom otpornika. Imaju dobru čvrstoću, ali slabu sposobnost lemljenja. Izgled je prikazan na slici (a) u nastavku.

SOT89 ima tri kratka pina raspoređena s jedne strane tranzistora. Druga strana je metalni hladnjak povezan s bazom kako bi se povećala sposobnost rasipanja topline. Uobičajen je u silicijskim tranzistorima za površinsku montažu i prikladan je za aplikacije veće snage. Izgled je prikazan na slici (b) u nastavku.

SOT143 ima četiri kratka pina u obliku krila, koji su izvedeni s obje strane. Širi kraj igle je kolektor. Ovaj tip kućišta je uobičajen u visokofrekventnim tranzistorima, a njegov izgled prikazan je na slici (c) ispod.

SOT252 je tranzistor velike snage s tri pina koji vode s jedne strane, a srednji je pin kraći i kolektor je. Spojite se na veću iglu na drugom kraju, koja je bakrena ploča za odvođenje topline, a izgleda kao što je prikazano na slici (d) u nastavku.

Uobičajena usporedba izgleda SOT paketa

SOT-89 MOSFET s četiri terminala obično se koristi na matičnim pločama. Njegove specifikacije i dimenzije su sljedeće:

Specifikacije veličine SOT-89 MOSFET-a (jedinica: mm)

5. Mali okvirni paket (SOP)

SOP (Small Out-Line Package) jedan je od paketa za površinsku montažu, koji se također naziva SOL ili DFP. Pribadače su izvučene s obje strane paketa u obliku galebovih krila (L oblik). Materijali su plastika i keramika. SOP standardi pakiranja uključuju SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 itd. Broj iza SOP-a označava broj igala. Većina MOSFET SOP paketa prihvaća SOP-8 specifikacije. Industrija često izostavlja "P" i skraćuje ga kao SO (Small Out-Line).

SOP-8 veličina pakiranja

SO-8 je prva razvila tvrtka PHILIP. Pakiran je u plastiku, nema donju ploču za odvođenje topline i slabo odvodi toplinu. Obično se koristi za MOSFET-ove male snage. Kasnije su postupno izvedene standardne specifikacije kao što su TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), itd.; među njima, TSOP i TSSOP se obično koriste u MOSFET pakiranju.

Specifikacije izvedene iz SOP-a koje se obično koriste za MOSFET-ove

6. Quad Flat paket (QFP)

Udaljenost između pinova čipa u QFP (Plastic Quad Flat Package) paketu je vrlo mala, a pinovi su vrlo tanki. Općenito se koristi u velikim ili ultra velikim integriranim krugovima, a broj pinova je općenito veći od 100. Čipovi pakirani u ovom obliku moraju koristiti SMT tehnologiju površinske montaže za lemljenje čipa na matičnu ploču. Ova metoda pakiranja ima četiri glavne karakteristike: ① Pogodna je za SMD tehnologiju površinske montaže za instaliranje ožičenja na PCB ploče; ② Pogodan je za visokofrekventnu upotrebu; ③ Jednostavan je za rukovanje i ima visoku pouzdanost; ④ Omjer između površine čipa i površine pakiranja je mali. Poput PGA metode pakiranja, ova metoda pakiranja zamata čip u plastičnu ambalažu i ne može raspršiti toplinu koja se stvara kada čip radi na vrijeme. Ograničava poboljšanje performansi MOSFET-a; a sama plastična ambalaža povećava veličinu uređaja koji ne zadovoljava uvjete za razvoj poluvodiča u smjeru da budu lagani, tanki, kratki i mali. Osim toga, ova vrsta metode pakiranja temelji se na jednom čipu, što ima probleme niske učinkovitosti proizvodnje i visokih troškova pakiranja. Stoga je QFP prikladniji za upotrebu u digitalnim logičkim LSI sklopovima kao što su mikroprocesori/matrice vrata, a također je prikladan za pakiranje proizvoda analognih LSI sklopova kao što je obrada VTR signala i obrada audio signala.

7、Quad flat paket bez kabela (QFN)

Paket QFN (Quad Flat Non-leaded package) opremljen je kontaktima za elektrode na sve četiri strane. Budući da nema izvoda, površina za montažu je manja od QFP-a, a visina je niža od QFP-a. Među njima, keramički QFN također se naziva LCC (Leadless Chip Carriers), a jeftini plastični QFN koji koristi staklenu epoksidnu smolu isprintanu baznu podlogu naziva se plastični LCC, PCLC, P-LCC, itd. To je pakiranje čipova za površinsku montažu u nastajanju tehnologija s malom veličinom jastučića, malim volumenom i plastikom kao brtvenim materijalom. QFN se uglavnom koristi za pakiranje integriranog kruga, a MOSFET se neće koristiti. Međutim, budući da je Intel predložio integrirani upravljački program i MOSFET rješenje, lansirao je DrMOS u paketu QFN-56 ("56" se odnosi na 56 priključnih pinova na stražnjoj strani čipa).

Treba napomenuti da QFN paket ima istu konfiguraciju vanjskog elektroda kao i ultra tanki mali okvirni paket (TSSOP), ali je njegova veličina 62% manja od TSSOP-a. Prema podacima QFN modeliranja, njegova toplinska izvedba veća je za 55% od TSSOP pakiranja, a električna izvedba (induktivitet i kapacitet) veća je za 60% i 30% od TSSOP pakiranja. Najveća mana je što se teško popravlja.

DrMOS u QFN-56 paketu

Tradicionalna diskretna DC/DC sklopna napajanja s niskim stupnjem ne mogu zadovoljiti zahtjeve za većom gustoćom snage, niti mogu riješiti problem parazitskih učinaka parametara na visokim sklopnim frekvencijama. S inovacijama i napretkom tehnologije postalo je stvarnost integrirati upravljačke programe i MOSFET-ove za izgradnju modula s više čipova. Ova metoda integracije može znatno uštedjeti prostor i povećati gustoću potrošnje energije. Kroz optimizaciju pogonskih programa i MOSFET-a, to je postalo stvarnost. Energetska učinkovitost i visokokvalitetna istosmjerna struja, ovo je DrMOS integrirani drajver IC.

Renesas DrMOS 2. generacije

QFN-56 bezvodni paket čini DrMOS toplinsku impedanciju vrlo niskom; s unutarnjim spajanjem žice i dizajnom bakrene kopče, vanjsko PCB ožičenje može se minimizirati, čime se smanjuje induktivitet i otpor. Osim toga, korišteni proces dubokih kanala silicija MOSFET također može značajno smanjiti gubitke vodljivosti, prekidanja i naboja na vratima; kompatibilan je s raznim kontrolerima, može postići različite načine rada i podržava aktivni način pretvorbe faze APS (Auto Phase Switching). Uz QFN pakiranje, bilateralno ravno pakiranje bez olova (DFN) također je novi postupak elektroničkog pakiranja koji se široko koristi u raznim komponentama tvrtke ON Semiconductor. U usporedbi s QFN-om, DFN ima manje izlaznih elektroda s obje strane.

8、Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC)

PLCC (Plastic Quad Flat Package) ima kvadratni oblik i puno je manji od DIP paketa. Ima 32 pribadače s pribadačama okolo. Igle su izvučene s četiri strane pakiranja u obliku slova T. To je plastični proizvod. Središnja udaljenost igle je 1,27 mm, a broj igala se kreće od 18 do 84. Igle u obliku slova J se ne deformiraju lako i njima je lakše rukovati od QFP-a, ali je pregled izgleda nakon zavarivanja teži. PLCC pakiranje je prikladno za instaliranje ožičenja na PCB pomoću SMT tehnologije površinske montaže. Ima prednosti male veličine i visoke pouzdanosti. PLCC pakiranje je relativno uobičajeno i koristi se u logičkim LSI, DLD (ili programskim logičkim uređajima) i drugim sklopovima. Ovaj oblik pakiranja često se koristi u BIOS-u matične ploče, ali trenutno je rjeđi u MOSFET-ovima.

Enkapsulacija i poboljšanje za velika poduzeća

Zbog trenda razvoja niskog napona i visoke struje u procesorima, MOSFET-ovi moraju imati veliku izlaznu struju, mali otpor pri uključivanju, nisko stvaranje topline, brzo odvođenje topline i malu veličinu. Osim poboljšanja tehnologije i procesa proizvodnje čipova, proizvođači MOSFET-a također nastavljaju poboljšavati tehnologiju pakiranja. Na temelju kompatibilnosti sa standardnim specifikacijama izgleda predlažu nove oblike pakiranja i registriraju nazive zaštitnih znakova za nova pakiranja koja razvijaju.

1、RENESAS WPAK, LFPAK i LFPAK-I paketi

WPAK je paket visokog toplinskog zračenja koji je razvio Renesas. Imitirajući D-PAK paket, hladnjak čipa je zavaren na matičnu ploču, a toplina se odvodi kroz matičnu ploču, tako da i mali WPAK paket može doseći izlaznu struju D-PAK-a. WPAK-D2 sadrži dva visoko/nisko MOSFET-a za smanjenje induktiviteta ožičenja.

Renesas WPAK veličina paketa

LFPAK i LFPAK-I dva su druga paketa male forme koje je razvila tvrtka Renesas, a kompatibilna su sa SO-8. LFPAK je sličan D-PAK-u, ali manji od D-PAK-a. LFPAK-i postavlja hladnjak prema gore kako bi raspršio toplinu kroz hladnjak.

Renesas LFPAK i LFPAK-I paketi

2. Pakiranje Vishay Power-PAK i Polar-PAK

Power-PAK je naziv MOSFET paketa koji je registrirala Vishay Corporation. Power-PAK uključuje dvije specifikacije: Power-PAK1212-8 i Power-PAK SO-8.

Vishay Power-PAK1212-8 paket

Vishay Power-PAK SO-8 paket

Polar PAK je malo pakiranje s dvostranim odvođenjem topline i jedna je od ključnih tehnologija pakiranja tvrtke Vishay. Polar PAK je isti kao i obični so-8 paket. Ima disipacijske točke i na gornjoj i na donjoj strani pakiranja. Nije lako akumulirati toplinu unutar paketa i može povećati gustoću struje radne struje dvostruko veću od SO-8. Trenutačno je Vishay licencirao Polar PAK tehnologiju za STMicroelectronics.

Vishay Polar PAK paket

3. Onsemi SO-8 i WDFN8 ravni olovni paketi

ON Semiconductor je razvio dvije vrste MOSFET-a s ravnim izvodom, među kojima su SO-8 kompatibilni oni s ravnim izvodom koje koriste mnoge ploče. Novo lansirani NVMx i NVTx energetski MOSFET-ovi tvrtke ON Semiconductor koriste kompaktna DFN5 (SO-8FL) i WDFN8 paketa za smanjenje gubitaka vodljivosti. Također ima nizak QG i kapacitivnost kako bi se smanjili gubici pokretača.

ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package

ON Semiconductor WDFN8 paket

4. Pakiranje NXP LFPAK i QLPAK

NXP (bivši Philps) poboljšao je SO-8 tehnologiju pakiranja u LFPAK i QLPAK. Među njima se LFPAK smatra najpouzdanijim energetskim SO-8 paketom na svijetu; dok QLPAK ima karakteristike male veličine i veće učinkovitosti odvođenja topline. U usporedbi s običnim SO-8, QLPAK zauzima površinu PCB ploče od 6*5 mm i ima toplinski otpor od 1,5 k/W.

NXP LFPAK paket

NXP QLPAK pakiranje

4. ST Semiconductor PowerSO-8 paket

STMicroelectronicsove tehnologije za pakiranje MOSFET čipova uključuju SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, itd. Među njima, Power SO-8 je poboljšana verzija SO-8. Osim toga, tu su i PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 i drugi paketi.

STMicroelectronics Power SO-8 paket

5. Fairchild Semiconductor Power 56 paket

Power 56 je Farichildovo ekskluzivno ime, a službeno ime je DFN5×6. Njegova površina pakiranja usporediva je s površinom uobičajeno korištenog TSOP-8, a tanko pakiranje štedi visinu zazora komponente, a Thermal-Pad dizajn na dnu smanjuje toplinski otpor. Stoga su mnogi proizvođači uređaja za napajanje postavili DFN5×6.

Fairchild Power 56 paket

6. International Rectifier (IR) Direct FET paket

Direct FET pruža učinkovito gornje hlađenje u SO-8 ili manjem otisku i prikladan je za aplikacije AC-DC i DC-DC pretvorbe energije u računalima, prijenosnim računalima, telekomunikacijskoj i potrošačkoj elektronici. Metalna konstrukcija limenke DirectFET-a omogućuje dvostrano odvođenje topline, učinkovito udvostručujući mogućnosti rukovanja strujom visokofrekventnih DC-DC pretvarača u usporedbi sa standardnim plastičnim diskretnim paketima. Paket Direct FET je obrnuto montiran tip, s odvodom (D) hladnjakom okrenutim prema gore i prekrivenim metalnim omotačem kroz koji se odvodi toplina. Izravno FET pakiranje uvelike poboljšava odvođenje topline i zauzima manje prostora uz dobro odvođenje topline.

Rezimirati

U budućnosti, kako se industrija elektroničke proizvodnje nastavlja razvijati u smjeru ultra-tankog, minijaturiziranog, niskog napona i visoke struje, izgled i unutarnja struktura pakiranja MOSFET-a također će se promijeniti kako bi se bolje prilagodili razvojnim potrebama proizvodnje. industrija. Osim toga, kako bi se smanjio prag odabira za proizvođače elektroničkih uređaja, trend razvoja MOSFET-a u smjeru modularizacije i pakiranja na razini sustava postat će sve očitiji, a proizvodi će se razvijati na koordiniran način iz više dimenzija kao što su izvedba i cijena . Paket je jedan od važnih referentnih faktora za odabir MOSFET-a. Različiti elektronički proizvodi imaju različite električne zahtjeve, a različita instalacijska okruženja također zahtijevaju usklađene specifikacije veličine. U stvarnom odabiru, odluku treba donijeti prema stvarnim potrebama prema općem načelu. Neki elektronički sustavi ograničeni su veličinom PCB-a i unutarnjom visinom. Na primjer, moduli napajanja komunikacijskih sustava obično koriste pakete DFN5*6 i DFN3*3 zbog ograničenja visine; u nekim ACDC napajanjima, ultra-tanki dizajni ili zbog ograničenja kućišta prikladni su za sastavljanje MOSFET-ova snage u pakiranju TO220. U ovom trenutku, igle se mogu izravno umetnuti u korijen, što nije prikladno za TO247 pakirane proizvode; neki ultra-tanki dizajni zahtijevaju da pinovi uređaja budu savijeni i ravno postavljeni, što će povećati složenost odabira MOSFET-a.

Kako odabrati MOSFET

Jedan mi je inženjer jednom rekao da nikad nije pogledao prvu stranicu podatkovne tablice MOSFET-a jer su se "praktične" informacije pojavljivale samo na drugoj stranici i dalje. Gotovo svaka stranica MOSFET podatkovne tablice sadrži vrijedne informacije za dizajnere. Ali nije uvijek jasno kako tumačiti podatke koje dostavljaju proizvođači.

Ovaj članak opisuje neke od ključnih specifikacija MOSFET-a, kako su navedene u podatkovnoj tablici i jasnu sliku koja vam je potrebna da biste ih razumjeli. Kao i većina elektroničkih uređaja, MOSFET-ovi su pod utjecajem radne temperature. Stoga je važno razumjeti uvjete ispitivanja pod kojima se primjenjuju navedeni pokazatelji. Također je ključno razumjeti jesu li pokazatelji koje vidite u "Uvodu u proizvod" "maksimalne" ili "tipične" vrijednosti, jer neke podatkovne tablice to ne pokazuju jasno.

Naponski stupanj

Primarna karakteristika koja određuje MOSFET je njegov drain-source napon VDS, ili "drain-source breakdown voltage", što je najviši napon koji MOSFET može izdržati bez oštećenja kada su vrata kratko spojena na sors i struja odvoda je 250μA. . VDS se također naziva "apsolutni maksimalni napon na 25°C", ali važno je upamtiti da ovaj apsolutni napon ovisi o temperaturi i obično postoji "VDS temperaturni koeficijent" u podatkovnoj tablici. Također morate razumjeti da je maksimalni VDS istosmjerni napon plus svi naponski skokovi i valovi koji mogu biti prisutni u krugu. Na primjer, ako koristite uređaj od 30 V na napajanju od 30 V sa skokom od 100 mV, 5 ns, napon će premašiti apsolutno maksimalno ograničenje uređaja i uređaj može ući u lavinski način rada. U tom slučaju ne može se jamčiti pouzdanost MOSFET-a. Pri visokim temperaturama temperaturni koeficijent može značajno promijeniti probojni napon. Na primjer, neki N-kanalni MOSFET-ovi s naponom od 600 V imaju pozitivan temperaturni koeficijent. Kako se približavaju maksimalnoj temperaturi spoja, temperaturni koeficijent uzrokuje da se ti MOSFET-ovi ponašaju kao MOSFET-ovi od 650 V. Mnoga pravila projektiranja MOSFET korisnika zahtijevaju faktor smanjenja od 10% do 20%. U nekim izvedbama, uzimajući u obzir da je stvarni probojni napon 5% do 10% viši od nazivne vrijednosti na 25°C, odgovarajuća korisna projektirana margina će se dodati stvarnom dizajnu, što je vrlo korisno za dizajn. Jednako važno za ispravan odabir MOSFET-a je razumijevanje uloge napona vrata-izvora VGS tijekom procesa provođenja. Ovaj napon je napon koji osigurava potpuno provođenje MOSFET-a pod danim maksimalnim RDS(on) stanjem. Zbog toga je otpor uključenja uvijek povezan s razinom VGS i samo pri tom naponu uređaj se može uključiti. Važna posljedica dizajna je da ne možete potpuno uključiti MOSFET s naponom nižim od minimalnog VGS koji se koristi za postizanje RDS(on) ocjene. Na primjer, da biste potpuno uključili MOSFET s mikrokontrolerom od 3,3 V, morate moći uključiti MOSFET na VGS=2,5 V ili niže.

On-otpor, naboj vrata i "figura zasluge"

Otpor na uključenje MOSFET-a uvijek se određuje na jednom ili više napona vrata-izvor. Maksimalno ograničenje RDS(on) može biti 20% do 50% veće od tipične vrijednosti. Maksimalno ograničenje RDS(on) obično se odnosi na vrijednost pri temperaturi spoja od 25°C. Na višim temperaturama, RDS(on) može porasti za 30% do 150%, kao što je prikazano na slici 1. Budući da se RDS(on) mijenja s temperaturom i minimalna vrijednost otpora ne može se jamčiti, otkrivanje struje na temelju RDS(on) nije vrlo precizna metoda.

Slika 1 RDS(on) raste s temperaturom u rasponu od 30% do 150% maksimalne radne temperature

Otpor pri uključivanju vrlo je važan i za N-kanalne i za P-kanalne MOSFET-ove. U prekidačkim izvorima napajanja, Qg je ključni kriterij odabira za N-kanalne MOSFET-ove koji se koriste u prekidačkim izvorima napajanja jer Qg utječe na komutacijske gubitke. Ovi gubici imaju dva učinka: jedan je vrijeme prebacivanja koje utječe na uključivanje i isključivanje MOSFET-a; drugi je energija potrebna za punjenje kapacitivnosti vrata tijekom svakog procesa prebacivanja. Jedna stvar koju treba imati na umu je da Qg ovisi o naponu gate-source, čak i ako korištenje nižeg Vgs smanjuje gubitke pri prebacivanju. Kao brzi način za usporedbu MOSFET-a namijenjenih uporabi u sklopnim aplikacijama, dizajneri često koriste jedinstvenu formulu koja se sastoji od RDS(on) za gubitke vodljivosti i Qg za sklopne gubitke: RDS(on)xQg. Ova "figura vrijednosti" (FOM) sažima performanse uređaja i omogućuje usporedbu MOSFET-a u smislu tipičnih ili maksimalnih vrijednosti. Kako biste osigurali točnu usporedbu između uređaja, morate biti sigurni da se isti VGS koristi za RDS(on) i Qg te da se tipične i maksimalne vrijednosti ne miješaju zajedno u publikaciji. Niži FOM omogućit će vam bolje performanse u prebacivanju aplikacija, ali nije zajamčeno. Najbolji rezultati usporedbe mogu se dobiti samo u stvarnom strujnom krugu, au nekim slučajevima krug će možda trebati fino podesiti za svaki MOSFET. Nazivna struja i rasipanje snage, na temelju različitih uvjeta ispitivanja, većina MOSFET-a ima jednu ili više kontinuiranih struja odvoda u podatkovnoj tablici. Htjet ćete pažljivo pogledati podatkovnu tablicu kako biste utvrdili je li ocjena pri navedenoj temperaturi kućišta (npr. TC=25°C) ili temperaturi okoline (npr. TA=25°C). Koja je od ovih vrijednosti najrelevantnija ovisit će o karakteristikama uređaja i primjeni (vidi sliku 2).

Slika 2. Sve apsolutne maksimalne vrijednosti struje i snage stvarni su podaci

Za male uređaje za površinsku montažu koji se koriste u ručnim uređajima, najrelevantnija razina struje može biti ona pri temperaturi okoline od 70°C. Za veliku opremu s hladnjakom i prisilnim zračnim hlađenjem, trenutna razina na TA=25 ℃ može biti bliža stvarnoj situaciji. Za neke uređaje, matrica može podnijeti veću struju pri maksimalnoj temperaturi spoja od ograničenja paketa. U nekim podatkovnim listovima, ova razina struje "ograničena matricom" je dodatna informacija uz razinu struje "ograničena paketom", koja vam može dati ideju o robusnosti matrice. Slična razmatranja vrijede za kontinuiranu disipaciju snage, koja ne ovisi samo o temperaturi već i o vremenu. Zamislite uređaj koji neprekidno radi na PD=4W 10 sekundi na TA=70 ℃. Ono što čini "kontinuirano" vremensko razdoblje ovisit će o MOSFET paketu, tako da ćete htjeti upotrijebiti normalizirani dijagram toplinske prijelazne impedancije iz podatkovne tablice da vidite kako izgleda disipacija snage nakon 10 sekundi, 100 sekundi ili 10 minuta . Kao što je prikazano na slici 3, koeficijent toplinskog otpora ovog specijaliziranog uređaja nakon impulsa od 10 sekundi iznosi približno 0,33, što znači da kada paket postigne toplinsku zasićenost nakon približno 10 minuta, kapacitet rasipanja topline uređaja iznosi samo 1,33 W umjesto 4 W . Iako kapacitet disipacije topline uređaja može doseći oko 2W pod dobrim hlađenjem.

Slika 3. Toplinski otpor MOSFET-a kada se primijeni impuls snage

Zapravo, odabir MOSFET-a možemo podijeliti u četiri koraka.

Prvi korak: odaberite N kanal ili P kanal

Prvi korak u odabiru pravog uređaja za vaš dizajn je odluka hoćete li koristiti N-kanalni ili P-kanalni MOSFET. U tipičnoj primjeni napajanja, kada je MOSFET spojen na uzemljenje, a opterećenje spojeno na mrežni napon, MOSFET formira sklopku na niskoj strani. U prekidaču na niskoj strani treba koristiti N-kanalne MOSFET-ove zbog razmatranja napona potrebnog za uključivanje ili isključivanje uređaja. Kada je MOSFET spojen na sabirnicu i opterećenje na masu, koristi se sklopka na visokoj strani. P-kanalni MOSFET-ovi obično se koriste u ovoj topologiji, što je također zbog razmatranja pogona napona. Da biste odabrali pravi uređaj za svoju primjenu, morate odrediti napon potreban za pogon uređaja i najlakši način da to učinite u svom dizajnu. Sljedeći korak je određivanje potrebnog nazivnog napona, odnosno maksimalnog napona koji uređaj može izdržati. Što je veći napon, to je veći trošak uređaja. Prema praktičnom iskustvu, nazivni napon trebao bi biti veći od mrežnog napona ili napona sabirnice. Ovo će osigurati dovoljnu zaštitu da MOSFET neće pokvariti. Pri izboru MOSFET-a potrebno je odrediti maksimalni napon koji se može tolerirati od odvoda do sorsa, odnosno maksimalni VDS. Važno je znati da maksimalni napon koji MOSFET može podnijeti promjene s temperaturom. Dizajneri moraju testirati varijacije napona u cijelom rasponu radne temperature. Nazivni napon mora imati dovoljnu marginu da pokrije ovaj raspon varijacija kako bi se osiguralo da strujni krug neće pokvariti. Ostali sigurnosni čimbenici koje inženjeri projektanti trebaju uzeti u obzir uključuju prijelazne napone izazvane sklopnom elektronikom kao što su motori ili transformatori. Nazivni naponi variraju za različite primjene; tipično, 20V za prijenosne uređaje, 20-30V za FPGA napajanja i 450-600V za 85-220VAC aplikacije.

Korak 2: Odredite nazivnu struju

Drugi korak je odabir trenutne vrijednosti MOSFET-a. Ovisno o konfiguraciji kruga, ova nazivna struja trebala bi biti najveća struja koju opterećenje može podnijeti u svim okolnostima. Slično situaciji s naponom, dizajner mora osigurati da odabrani MOSFET može izdržati ovu nazivnu struju, čak i kada sustav generira strujne skokove. Dva trenutna stanja koja se razmatraju su kontinuirani način rada i impulsni skok. U načinu kontinuiranog provođenja, MOSFET je u stabilnom stanju, gdje struja kontinuirano teče kroz uređaj. Šiljak pulsa odnosi se na veliki val (ili strujni udar) koji teče kroz uređaj. Nakon što se odredi maksimalna struja pod ovim uvjetima, jednostavno je stvar odabira uređaja koji može podnijeti tu maksimalnu struju. Nakon odabira nazivne struje potrebno je izračunati i gubitak vodljivosti. U stvarnim situacijama, MOSFET nije idealan uređaj jer postoji gubitak električne energije tijekom procesa provođenja, što se naziva gubitak provođenja. MOSFET se ponaša kao promjenjivi otpornik kada je "uključen", što je određeno RDS(ON) uređaja i značajno se mijenja s temperaturom. Gubitak snage uređaja može se izračunati pomoću Iload2×RDS(ON). Budući da se otpor pri uključivanju mijenja s temperaturom, proporcionalno će se mijenjati i gubitak snage. Što je veći napon VGS primijenjen na MOSFET, manji će biti RDS(ON); obrnuto, veći će biti RDS(ON). Za dizajnera sustava, ovdje dolaze kompromisi ovisno o naponu sustava. Za prijenosne dizajne, lakše je (i češće) koristiti niže napone, dok se za industrijske dizajne mogu koristiti viši naponi. Imajte na umu da će RDS(ON) otpor malo porasti sa strujom. Varijacije u različitim električnim parametrima RDS(ON) otpornika mogu se pronaći u tehničkim podacima proizvođača. Tehnologija ima značajan utjecaj na karakteristike uređaja, jer neke tehnologije imaju tendenciju povećanja RDS(ON) kada povećavaju maksimalni VDS. Za takvu tehnologiju, ako namjeravate smanjiti VDS i RDS(ON), morate povećati veličinu čipa, čime se povećava odgovarajuća veličina paketa i povezani troškovi razvoja. Postoji nekoliko tehnologija u industriji koje pokušavaju kontrolirati povećanje veličine čipa, od kojih su najvažnije tehnologije balansiranja kanala i punjenja. U trench tehnologiji, duboki kanal je ugrađen u pločicu, obično rezerviran za niske napone, kako bi se smanjio otpor RDS(ON). Kako bi se smanjio utjecaj maksimalnog VDS-a na RDS(ON), tijekom procesa razvoja korišten je postupak epitaksijalne kolone za rast/kolone za jetkanje. Na primjer, Fairchild Semiconductor je razvio tehnologiju pod nazivom SuperFET koja dodaje dodatne proizvodne korake za smanjenje RDS(ON). Ovaj fokus na RDS(ON) je važan jer kako probojni napon standardnog MOSFET-a raste, RDS(ON) eksponencijalno raste i dovodi do povećanja veličine matrice. SuperFET proces mijenja eksponencijalni odnos između RDS(ON) i veličine pločice u linearni odnos. Na ovaj način, SuperFET uređaji mogu postići idealan nizak RDS(ON) u malim veličinama matrice, čak i s probojnim naponima do 600V. Rezultat je da se veličina vafla može smanjiti do 35%. Za krajnje korisnike to znači značajno smanjenje veličine paketa.

Treći korak: Odredite toplinske zahtjeve

Sljedeći korak u odabiru MOSFET-a je izračunavanje toplinskih zahtjeva sustava. Dizajneri moraju razmotriti dva različita scenarija, najgori mogući scenarij i scenarij stvarnog svijeta. Preporuča se koristiti rezultat izračuna najgoreg slučaja, jer taj rezultat daje veću sigurnosnu marginu i jamči da sustav neće otkazati. Postoje i neki mjerni podaci na koje treba obratiti pozornost na podatkovnoj tablici MOSFET-a; kao što je toplinski otpor između poluvodičkog spoja pakiranog uređaja i okoline i maksimalne temperature spoja. Temperatura spoja uređaja jednaka je maksimalnoj temperaturi okoline plus umnožak toplinskog otpora i rasipanja snage (temperatura spoja = maksimalna temperatura okoline + [toplinski otpor × rasipanje snage]). Prema ovoj jednadžbi može se riješiti maksimalna disipacija snage sustava, koja je po definiciji jednaka I2×RDS(ON). Budući da je dizajner odredio maksimalnu struju koja će proći kroz uređaj, RDS(ON) se može izračunati na različitim temperaturama. Vrijedno je napomenuti da kada se radi o jednostavnim toplinskim modelima, dizajneri također moraju uzeti u obzir toplinski kapacitet poluvodičkog spoja/kućišta uređaja i kućišta/okoliša; to zahtijeva da se tiskana ploča i paket ne zagriju odmah. Lavinski slom znači da reverzni napon na poluvodičkom uređaju premašuje maksimalnu vrijednost i stvara jako električno polje koje povećava struju u uređaju. Ova struja će raspršiti snagu, povećati temperaturu uređaja i moguće oštetiti uređaj. Poluvodičke tvrtke će provesti lavinsko testiranje na uređajima, izračunati njihov lavinski napon ili testirati robusnost uređaja. Postoje dvije metode za izračunavanje nazivnog lavinskog napona; jedan je statistička metoda, a drugi je toplinski proračun. Toplinski proračun ima široku primjenu jer je praktičniji. Mnoge su tvrtke dale pojedinosti o testiranju svojih uređaja. Na primjer, Fairchild Semiconductor daje "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines - može se preuzeti s web stranice Fairchilda). Uz računalstvo, veliki utjecaj na učinak lavine ima i tehnologija. Na primjer, povećanje veličine matrice povećava otpornost na lavinu i u konačnici povećava robusnost uređaja. Za krajnje korisnike to znači korištenje većih paketa u sustavu.

Korak 4: Odredite performanse prekidača

Posljednji korak u odabiru MOSFET-a je određivanje izvedbe prebacivanja MOSFET-a. Postoje mnogi parametri koji utječu na izvedbu sklopke, ali najvažniji su kapacitivnost vrata/odvod, vrata/izvor i odvod/izvor. Ovi kondenzatori stvaraju gubitke pri prebacivanju u uređaju jer se pune svaki put kada se preklapaju. Stoga se smanjuje brzina preklapanja MOSFET-a, a smanjuje se i učinkovitost uređaja. Da bi se izračunali ukupni gubici u uređaju tijekom sklopke, projektant mora izračunati gubitke tijekom uključivanja (Eon) i gubitke tijekom isključivanja (Eoff). Ukupna snaga MOSFET sklopke može se izraziti sljedećom jednadžbom: Psw=(Eon+Eoff)×frekvencija sklopke. Naboj vrata (Qgd) ima najveći utjecaj na performanse sklopke. Na temelju važnosti izvedbe sklopke, stalno se razvijaju nove tehnologije za rješavanje problema prebacivanja. Povećanje veličine čipa povećava naboj vrata; ovo povećava veličinu uređaja. Kako bi se smanjili gubici pri prebacivanju, pojavile su se nove tehnologije kao što je oksidacija debelog dna kanala, s ciljem smanjenja naboja vrata. Na primjer, nova tehnologija SuperFET može minimizirati gubitke vodljivosti i poboljšati performanse prebacivanja smanjenjem RDS(ON) i naboja vrata (Qg). Na ovaj način, MOSFET-ovi se mogu nositi s brzim prijelaznim pojavama napona (dv/dt) i strujnim prijelaznim pojavama (di/dt) tijekom prebacivanja, a mogu čak i pouzdano raditi na višim frekvencijama preklapanja.