powertrench mosfet что это

International Rectifier

Статья посвящена MOSFET-транзисторам производства компании Texas Instruments, выполненным по новой технологии NexFET. Эта технология существенно улучшает характеристики транзисторов и открывает широкие возможности по совершенствованию низковольтных сильноточных DC/DC-преобразователей.

Низковольтные MOSFET-транзисторы – одни из самых востребованных силовых полупроводниковых приборов. Благодаря малым потерям, простоте управления и отличному быстродействию, они незаменимы в каскадах преобразования и распределения постоянного напряжения компьютерной техники, телекоммуникационного и промышленного оборудования, а также портативной электронной техники. Известными новаторами в области производства низковольтных MOSFET-транзисторов являются компании International Rectifier, NXP, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor и Vishay. Конкуренцию данным компаниям теперь также составляет Texas Instruments, которая после поглощения в начале этого года компании CICLON Semiconductor Device обладает ассортиментом MOSFET-транзисторов, выполненных по инновационной технологии NexFET. Прежде компания Texas Instruments была известна, среди прочего, как поставщик интегральных схем ШИМ-контроллеров и драйверов. Теперь же, после добавления к выпускаемому ассортименту MOSFET-транзисторов, компания готова предложить полный комплект активных компонентов, необходимых для построения современного DC/DC-преобразователя (см. рисунок 1).

Рис. 1. Компоненты TI для построения DC/DC-преобразователей

Рис. 2. Эволюция структур мощных MOSFET-транзисторов

Ассортимент транзисторов NexFET приведен в таблице1.

Таблица 1. Ассортимент и основные характеристики транзисторов NexFET

Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1×1)

Одиночные транзисторы (в корпусе WLP 1×1.5)

Сдвоенные транзисторы с общим истоком (в корпусе WLP 1×1.5)

Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 3×3)

Одиночные транзисторы (в корпусе QFN 5×6)

Здесь представлены p- и n-канальные транзисторы в корпусах двух типов (см. рисунок3). P-канальные транзисторы, как известно, предназначены для построения коммутаторов, включенных в разрыв положительной линии питания. В современной электронике такие устройства находят широкое применение в каскадах коммутации и защиты батарейного источника, в зарядных устройствах, а также в каскадах коммутации нагрузок общего назначения. На основе p-канальных транзисторов также возможна реализация простых понижающих DC/DC-преобразователей и линейных стабилизаторов напряжения.

Рис. 3. Внешний вид и расположение выводов транзисторов NexFET

В ассортименте NexFET имеется всего четыре p-канальных транзистора. Чтобы оценить преимущества технологии NexFET для построения p-канальных транзисторов, обратимся к сравнению с лучшими конкурирующими решениями. Так, например, ближайшие аналоги транзистора CSD23201W10, которые при напряжении управления затвором 4.5 В обладают близким к 66 мОм сопротивлением открытого канала, в том числе IRLML6402 (International Rectifier) и Si8401DB (Vishay), характеризуются зарядом затвора 8 и 11 нКл соответственно. Помимо существенно улучшенных рабочих характеристик, транзисторы NexFET также отличаются меньшей занимаемой площадью (например, занимаемая площадь упомянутого Si8401DB составляет 1.6×1.6= 2,56 мм 2 против 1 мм 2 транзистора CSD23201W10). Если же выбрать за основу для сравнения типоразмер корпуса, то транзисторы NexFET будут превосходить конкурентов не только по заряду затвора, но и по сопротивлению канала. В частности, транзистор Si8461DB (Vishay) в корпусе MICRO FOOT 1×1 при напряжении управления затвором 4.5 В характеризуется сопротивлением открытого канала 100 мОм и зарядом затвора 9.5 нКл (против 66 мОм и 1.9 нКл CSD23201W10 соответственно). Более серьезный конкурент для CSD23201W10 был представлен компанией Fairchild в августе текущего года. Данный транзистор (FDZ371PZ) размещен в корпусе аналогичного CSD23201W10 типоразмера 1×1 мм и характеризуется более низким R_DS(ON) (55 мОм). Тем не менее, по параметру Q_G (12 нКл) FDZ371PZ существенно отстает от своего конкурента. В ассортименте NexFET также имеется один сдвоенный p-канальный транзистор, который предоставляет возможность дальнейшей миниатюризации каскадов с многоканальной коммутацией напряжений. Замыкает линейку p-канальных приборов сильноточный транзистор CSD25401Q3. Если взять за основу для сравнения типоразмер корпуса этого транзистора (3×3 мм), то выяснится, что он не имеет аналогов. Например, если обратиться к каталогу International Rectifier, то окажется, что даже в типоразмере 3×6.4 мм лучший транзистор (IRF7701) характеризуется R_DS(ON)=11 мОм и Q_G=69 нКл (против 8.7 мОм и 8.8 нКл CSD25401Q3). Таким образом, превосходство p-канальных транзисторов NexFET по комплексному показателю качества R_DS(ON) Q_G можно ожидать в пределах 4. 10 раз.

В группе n-канальных транзисторов NexFET представлены изделия в двух типоразмерах корпуса QFN. Здесь также можно выделить две подгруппы: CSD163хх и CSD164хх. Транзисторы CSD163хх отличаются тем, что они оптимизированы для напряжения управления затвором 5 В. Целевыми областями применения всех данных транзисторов являются понижающие низковольтные DC/DC-преобразователи, в том числе – с каскадом синхронного выпрямления. Такие преобразователи широко применяются для построения локализованных к нагрузке импульсных стабилизаторов напряжения (POL-стабилизаторы) в компьютерной технике и телекоммуникационном оборудовании. Транзисторы NexFET обладают значениями RDS(ON) на уровне лучших промышленных аналогов и при этом существенно превосходят их по значениям Q_G (см. таблицу 2).

Таблица 2. Сравнение n-канальных транзисторов NexFET с аналогичными новинками других производителей

Наименование
конкурента

Производитель
(технология)

Источник

MOSFET транзисторы-что представляет собой, принцип работы

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Описание

Полевой транзистор, он же мосфет (MOSFET) – электронный компонент, позволяющий при помощи небольшого напряжения и тока (с пина микроконтроллера) управлять мощной нагрузкой постоянного то ка, которую пин МК сам питать не в состоянии: моторы, клапаны, мощные светодиоды и так далее. Более подробно про мосфеты написано в уроке по управлению нагрузкой. В уроке идёт мосфет IRF740, N-канального типа.

Основные параметры MOSFET-транзистора

Ниже перечислены основные параметры MOSFET-транзистора данные на которые приводятся в справочных листках — datasheet-ах:

1. Максимальное напряжение сток-исток (Drain-Source Voltage) VDS – максимально допустимое напряжение между стоком и истоком транзистора.

2. Сопротивление сток-исток RDS – сопротивление между стоком и истоком в открытом состоянии. При заданном напряжении затвор-исток. И токе стока.

3. Максимальное напряжение затвор-исток (Gate-Source Voltage) VGS – максимальное управляющее напряжение затвор-исток. При превышении этого напряжения возможен пробой затворного диэлектрика и выход транзистора из строя.

4. Максимальный ток стока в непрерывном режиме (Continuous Drain Current) ID – максимальная величина постоянно протекающего тока стока в непрерывном режиме. Зависит от температуры корпуса транзистора и условий теплоотвода.

5. Максимальный импульсный ток стока (Pulsed Drain Current) IDM — максимальная величина импульсного тока стока. Зависит от коэффициента заполнения, условий теплоотвода. Принципиально ограничивается энергией рассеивания кристалла.

6. Энергия рассеивания кристалла (Single Pulse Avalanche Energy) EAS – максимальная энергия, которая может быть рассеяна на кристалле транзистора без его разрушения.

7. Максимальная рассеиваемая мощность (Maximum Power Dissipation) PD – максимальная тепловая мощность, которая может быть отведена от корпуса транзистора (при заданной температуре корпуса транзистора).

8. Диапазон рабочих температур — диапазон температур, в пределах которого допускается эксплуатация транзистора.

8. Тепловое сопротивление транзистор-воздух RthJA (Maximum Junction-to-Ambient) — максимальное тепловое сопротивление транзистор-воздух (при условии свободного конвективного теплообмена).

9. Тепловое сопротивление корпус транзистора – теплоотвод (Case-to-Sink, Flat, Greased Surface) RthCS — максимальное тепловое сопротивление перехода корпус транзистора – теплоотвод. При условии плоской блестящей поверхности теплоотвода.

Читайте также: Фитат натрия что это

10. Тепловое сопротивление корпус транзистора (Maximum Junction-to-Case (Drain) RthJC — максимальное тепловое сопротивление кристалл — корпус транзистора.

11. Пороговое напряжение затвор-исток (Gate-Source Threshold Voltage) VGS(th) — пороговое напряжение затвор-исток, при котором начинается переход транзистора в проводящее состояние.

12. Ток утечки стока (Zero Gate Voltage Drain Current) IDSS – ток стока выключенного транзистора (при нулевом напряжении затвор-исток). Значительно зависит от температуры.

13. Ток утечки затвора (Gate-Source Leakage) IGSS – ток через затвор при некотором (как правило максимальном) напряжении затвор-исток.

14. Входная емкость (Input Capacitance) Ciss – суммарная емкость затвор-исток и емкость затвор-сток (при некотором напряжении сток-исток).

15. Выходная емкость (Output Capacitance) Coss – суммарная емкость затвор-сток и емкость сток-исток.

16. Проходная емкость (Reverse Transfer Capacitance) Crss – емкость затвор-сток.

17. Общий заряд затвора (Total Gate Charge) Qg – суммарный заряд затвора, необходимый для перевода транзистора в проводящее состояние.

18. Заряд затвор-исток (Gate-Source Charge) Qgs – заряд емкости затвор-исток.

20. Заряд затвор-сток (Gate-Drain Charge) Qgd — заряд емкости затвор-сток.

21. Время задержки включения (Turn-On Delay Time) td(on) – время за которое транзистор накапливает заряд до напряжения на затворе, при котором транзистор начинает открываться.

22. Время роста тока через транзистор (Rise Time) – время, за которое происходит нарастание тока стока транзистора от 10% до 90%.

23. Время задержки выключения (Turn-Off Delay Time) td(off) – время за которое заряд затвора становится меньшим заряда включения, и транзистор начинает закрываться.

24. Время спада тока через транзистор (Fall Time) — время, за которое происходит спад тока стока транзистора от 10% до 90%.

25. Индуктивность вывода стока (Internal Drain Inductance) LD – паразитная индуктивность вывода стока транзистора.

26. Индуктивность вывода истока (Internal Source Inductance) LS – паразитная индуктивность вывода истока транзистора.

27. Постоянный прямой ток через обратный диод (Continuous Source-Drain Diode Current) IS – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

28. Импульсный ток через обратный диод (Pulsed Diode Forward Current) ISM – максимальное значение постоянно протекающего прямого тока через паразитный p-n диод.

29. Падение напряжения на диоде (Body Diode Voltage) VSD – прямое падение напряжения на диоде. При заданных температуре и токе истока.

30. Время восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Time) trr — время восстановления обратной проводимости паразитного диода.

31. Заряд восстановления паразитного диода (Body Diode Reverse Recovery Charge) Qrr – заряд необходимый для восстановления обратной проводимости паразитного диода.

32. Время включения паразитного диода (Forward Turn-On Time) ton — время перехода диода в проводящее состояние. Обычно составляет пренебрежимо малую величину.

33. Паразитное сопротивление затвора (Gate resistance) RG – паразитное последовательное сопротивление затвора. Именно оно ограничивает скорость переключения при управляющем драйвере с большим выходным током.

Подключение (N-канальный)

Управляющий пин мосфета (затвор) подключается к любому цифровому пину МК через токоограничивающий резистор на 100-200 Ом, что защитит пин от слишком большого тока. Также он подтягивается к GND резистором на 10 кОм, чтобы транзистор автоматически закрылся при отсутствии сигнала с МК. “Плюс” источника питания подключается напрямую к нагрузке, GND соединяется с GND микроконтроллера. GND нагрузки подключается на выход (сток) мосфета:

Рассмотрим возможное подключение мотора из PRO версии набора, питание от внешнего 5V адаптера:

Драйверы для управления

Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.

Режим КЗ

Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.

Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или полупроводниковый прибор п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

Азбука устройства MOSFET

В общих чертах MOSFET позволяет с помощью низкого напряжения на затворе управлять током, протекающим по каналу «исток-сток». Благодаря этому свойству можно значительно упростить схему управления, а также снизить суммарную затрачиваемую на управление мощность.

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Первые MOSFET были созданы по планарной технологии. Транзисторы, изготавливаемые по этой технологии, изображены на рис. 1. Их структура состоит из металла и полупроводника, разделенных слоем оксида кремния SiO2.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Trench-структура (рис. 2) имеет более высокую плотность ячеек, что выражается в более низком значении Rds(on). В Trench MOSFET на поверхности подложки создается V-образная канавка, на которую осаждается слой оксида, и затем происходит металлизация.

Рис. 2. Высокоплотные Trench MOSFET могут быть меньше, чем их планарные собратья, но обладать сравнимым значением Rds(on)

Поле затвора в Trench MOSFET оказывает влияние на гораздо большую область кремния. В результате этого для получения аналогичного Rds(on) требуются меньшие физические размеры, чем при изготовлении MOSFET по планарной технологии.

Наряду с явными достоинствами MOSFET имеют и отрицательные стороны. Так, между слоем n- стока и p+ истока формируется внутренний диод. Характеристики этого диода приводятся в технических данных на все MOSFET. Применяя MOSFET в импульсных схемах, всегда нужно принимать во внимание время обратного восстановления внутреннего диода. Также, в MOSFET формируется внутренний NPN-транзистор, коллектором которого является n-слой стока, базой – p-слой, а эмиттером – n-слой истока.

Необходимо учитывать, что металлизация истока (рис. 3) в некоторых местах имеет очень низкое сопротивление между переходом «база-эмиттер», этот момент осложняет включение транзистора.

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Схема простого MOSFET усилителя

Параметры усилителя

Вся конструкция УНЧ размещена в небольшом алюминиевом корпусе. Питается схема от простого двухполярного выпрямителя с тороидальным трансформаторомна 250 ватт. Обратите внимание, что на фото показан моноблок — то есть одноканальный усилитель, так как он собран для электрогитары.

Радиатор применён из черного анодированного алюминиевого профиля. Корпус имеет длинну 300 мм и снабжен сзади 80 мм вентилятором охлаждения. Вентилятор работает постоянно, поэтому радиатор всегда прохладный, даже при максимальной мощности (или, по крайней мере, несколько выше температуры окружающей среды).

Блок питания для усилителя MOSFET мощностью 100 ВтДвухполярное питание +45/-45 для усилителя мощности MOSFET 100 Вт

Схема настройки

Перед включением установите R1 в средней точке, а затем медленно отрегулируйте его, чтобы получить минимальное напряжение (менее 50 мВ) на выходе. Следующим шагом является настройка тока покоя и поддержание заданного подстроечным резистором R8 минимального значения сопротивления и подключение мультиметра к точкам, отмеченным X и Y на принципиальной схеме. Теперь отрегулируйте R8 так, чтобы мультиметр показывал 16,5 мВ, что соответствует току покоя 50 мА.

Применение MOSFET-транзисторов

Области использования MOSFET-транзисторов:

— в импульсных преобразователях и стабилизаторах;

— в генераторных устройствах;

— в усилительных каскадах (особенно в звуковых Hi-Fi усилителях);

— в твердотельных реле;

— в качестве элемента логических схем.

Основные преимущества MOSFET-транзисторов проявляются при их использовании в качестве ключевых элементов.

При всех преимуществах MOSFET-транзисторы достаточно «нежные» существа: боятся статического электричества, разрушаются при перегреве свыше 150 °С. Из этого следует то, что полевые транзисторы более критичны к перегреву при пайке по сравнению с биполярными, а также то, что с ними целесообразно работать при условии защиты от статического электричества.

Источник

Как разработчику заставить работать новые MOSFETs

MOSFET были разработаны более 40 лет назад и некоторые особенности этих устройств до сих пор не получили достойного внимания.

Приходилось ли вам наблюдать за переходом напряжения VDS в режим «ON», в то время как напряжение VGS находилось в состоянии «OFF»? Может быть, вы использовали MOSFET в линейном режиме и он не работал, несмотря на то, что находился в безопасной области работы (SOA)? Сталкивались ли с тем, что новые, более выгодные по цене приборы с похожими параметрами не работали, когда вы заменяли ими старые?

В этой статье хотелось бы углубиться в эти вопросы, исследуя нюансы механизмов динамического включения MOSFET, а также механизмы обратного восстановления диода, лавинного пробоя, особенности работы в линейном режиме.

Из статьи станет понятно, как выбрать правильное устройство и максимально избежать проблем.

Азбука устройства MOSFET

На сегодняшний день широкое распространение получили две технологии производства MOSFET: планарная и Trench.

Рис. 1. Планарная технология – первые дискретные MOSFET

Рис. 3. Внутренние диод и биполярный транзистор в структуре MOSFET

Емкостные механизмы ложного открывания

Несколько ложных механизмов включения могут создавать сложности при разработке импульсного источника питания. Открывают список два из них. Они связаны с паразитными емкостями транзистора и переходными процессами. Переходные процессы возникают из-за изменения напряжения на индуктивности. Происходит это во время переключения состояния MOSFET.

Первый механизм связан с емкостью Миллера C_DG и емкостью затвора C_GS. Если к выключенному MOSFET приложить напряжение V_DS, то фронт этого напряжения наводит ток, протекающий через емкость Миллера, емкость затвора, в итоге на сопротивлении цепи затвора (R_G) создается падение напряжения (рис. 4). Если образующийся потенциал превысит пороговое напряжение затвора, произойдет ложное открывание транзистора.

Рис. 4. Емкость Миллера с емкостью затвор-исток образуют делитель напряжения

С ростом температуры увеличивается вероятность ложного открывания транзистора из-за тока, наведенного фронтом напряжения V_DS.

Данная проблема актуальна, когда синхронный понижающий конвертер преобразует напряжение с 12 до 1,8 В или ниже, а выход продолжительное время нагружен на индуктивную нагрузку. В этом случае ключ нижнего плеча проводит ток нагрузки большую часть времени. Когда ключ верхнего плеча запирается, индуктивность коммутируется вниз через внутренний диод транзистора нижнего плеча, затем транзистор нижнего плеча включается. Напряжение «сток-исток» верхнего ключа быстро поднимается от 0 В (включенное состояние) до примерно V_CC-V_F (выключенное состояние минус напряжение падения на диоде). В это время транзистор весьма восприимчив к ложному отпиранию. Вероятность этого настолько высока, что для качественной оценки используется соотношение Q_GS и Q_GD; выбирая MOSFET, мы должны руководствоваться этим соотношением. Чем выше Q_GD и ниже Q_GS, тем выше вероятность, что произойдет ложное открывание. Низкое значение R_G, низкий выходной импеданс драйвера затвора и низкий импеданс трассировки позволяют качественнее удерживать устройство в запертом состоянии.

Если в устройстве имеются подозрения на ложные открывания, понаблюдайте за напряжениями V_GS, V_DS и током I_D. Когда нижний ключ отпирается, мы наблюдаем короткий положительный импульс на V_GS и связанное с ним понижение V_DS. Для борьбы с этим эффектом можно выбрать MOSFET с низкой емкостью C_DG, высокой емкостью C_GS и более высоким порогом отпирания. Возможна установка дополнительного конденсатора между затвором и истоком. При установке C_GS увеличивается суммарный заряд затвора, необходимый для достижения порогового напряжения отпирания MOSFET. Емкость C_GS ослабляет влияние эффекта Миллера, заряжаясь создаваемым им током и препятствуя возникновению тока в цепи затвора. Однако этот способ очень редко используется на практике, поскольку увеличение емкости в цепи затвора приводит к росту потерь переключения MOSFET.

Второй емкостной механизм связан с внутренним NPN-транзистором, сформированным в структуре MOSFET. Переход «база-эмиттер» этого транзистора обладает низким, но не нулевым сопротивлением. Падение напряжения, вызванное протеканием тока по этому сопротивлению, заряжает емкость Миллера (рис. 5)

Рис. 5. Тип включения, при котором внутренний транзистор структуры MOSFET оказывает дополнительное влияние

Включение от индуктивности истока

Структуры большинства выводных MOSFET – SOIC, DPAK, TO-220 и т.д. – сходны между собой. Высокотемпературный припой соединяет основание устройства с выводной рамкой. Это соединение обладает минимальной проводимостью. Также жесткие проволочки соединяют исток прибора от наружного вывода к внутреннему слою. Иногда от вывода истока идет несколько жестких параллельных проволочек, для этого используется технология соединения die-to-leadframe (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция большинства выводных MOSFET на примере корпуса D2PAK

Затвор соединен с внешним выводом одним миниатюрным жестким проводником. Проблемы возникают из-за наличия индуктивности выводов истока. Через вывод стока протекает мощный ток, а также обратный ток включения/выключения от драйвера затвора.

С практической точки зрения невозможно увидеть реальное напряжение на истоке выводного транзистора. Измерив напряжение, мы получим значение лишь на выводе истока, но фактически исток транзистора соединяется с источником напряжения через индуктивность вывода. В абсолютном выражении проводник, расположенный над заземленным проводником в свободном пространстве, обладает индуктивностью 0,8 нГн/мм; таким образом, между источником напряжения и истоком транзистора присутствует индуктивность порядка 3…5 нГн. Большие корпуса транзисторов, например, TO220, как правило, имеют большие значения индуктивности истока.

Индуктивность истока обладает свойством оказывать противодействие как при включении транзистора, так и при его выключении. Процессы, возникающие при выключении, гораздо заметнее из-за больших токов, протекающих через устройство, и большей энергии, запасенной в индуктивности истока.

Несмотря на то, что сигнал управления выключением транзистора выбирает путь наименьшего сопротивления, напряжение от индуктивности истока добавляется к низкому напряжению от драйвера, и тем самым создает паразитный сигнал управления состоянием затвора.

Если это паразитное напряжение достаточно высоко, то оно может включить устройство, противодействуя сигналу драйвера затвора (рис. 7)

Рис. 7. Включение транзистора паразитным напряжением, действующим против сигнала драйвера затвора

Для устранения проблем в высокоскоростных схемах применяются безвыводные корпуса, например, корпус PQFN с технологией медной клипсы от International Rectifier, а также корпус DirectFET. MOSFET в этих корпусах обладают минимальными индуктивностями истока. В устройствах, которые требуют применения выводных компонентов, мы можем подавать на затвор отрицательное напряжение запирания. При наличии достаточного отрицательного напряжения на затворе паразитный импульс не способен сместить потенциал V_G до порогового значения.

В таблице 1 приведены параметры двух новых MOSFET компании IR – IRF6708S и IRF6728M, которые выполнены в корпусе DirectFET малого и среднего размера, соответственно. Их использование позволяет уменьшить размер печатной платы, а также снизить общую стоимость системы. Технология корпусирования DirectFET позволяет получить минимальные сопротивления контактов и паразитные индуктивности выводов, а также обладает высокой эффективностью отвода тепла от кристалла за счет двустороннего охлаждения и других конструктивных особенностей.

Таблица 1. Параметры новых MOSFET компании International Rectifier

Наименование	V_DS, В	R_DS(ON)тип.@10 В, мОм	R_DS(ON) тип.@4,5 В, мОм	V_GS, В	Q_G тип. @ 4,5 В, нКл	Q_G тип. @10 В, нКл
IRF6728M	30	1,8	2,8	± 20	20	8,7
IRF6708S2	30	7,5	12	± 20	6,6	2,2

Ранее мы упоминали диод, который образуется в p-n-переходе MOSFET между n- областью стока и p-каналом истока. Как и любой другой диод, он обладает временем обратного восстановления (рис. 8).

Рис. 8. Типовой график времени обратного восстановления внутреннего диода

Основными параметрами этого диода являются t_RR и Q_RR, и условия, при которых они были измерены.

Когда транзистор верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе выключается, индуктивность начинает разряжаться через внутренний диод транзистора нижнего плеча. Это режим потерь, который минимизируют за счет быстрого включения транзистора нижнего плеча. Канал транзистора нижнего плеча открывается и отбирает весь ток на себя, диод закрывается.

Ток обратного восстановления MOSFET течет через канал наряду с током выброса от индуктивности. Суммарный ток может негативно повлиять на область безопасной работы прибора.

Может показаться, что единственным вариантом является выбор MOSFET с наиболее низкими Q_RR и/или t_RR. Это не так.

Параллельно внутреннему диоду можно подключить внешний диод с более низким напряжением V_F: таким образом, ток потечет в обход внутреннего диода. MOSFET со встроенным диодом Шоттки, называемые FETky, предполагают наличие внутреннего диода Шоттки, включенного параллельно с внутренним диодом, он выполняет ту же самую роль. Прямое напряжение V_F диода Шоттки гораздо меньше, чем у обычного p-n-перехода. Таким образом, Шоттки шунтирует ток выброса. Поэтому быстрый диод Шоттки необходим для уменьшения Q_RR. В высоковольтных приложениях, для которых FETkeys не производятся, можно включить внешний диод Шоттки необходимого или большего напряжения параллельно с внутренним диодом с минимальной индуктивностью.

Лавинный пробой

Самый простой способ объяснить лавинный пробой – использовать flyback-конвертер (рис. 9).

Рис. 9. Схема flyback-преобразователя для демонстрации лавинного процесса

Предположим, что структура цепочки RCD, используемая, чтобы минимизировать выбросы напряжения через переключающийся MOSFET, не является внутрисхемной. Кроме того, узел между стоком MOSFET и индуктивностью первичной обмотки разблокирован.

С разблокированным стоком напряжение VDS близко или немного выше напряжения B+, в этом случае мы наблюдаем лавинный пробой (рис. 10).

Рис. 10. Ограниченный лавинный процесс во Flyback-преобразователе

Лавинный пробой – когда напряжение на MOSFET повышается быстро и затем отсекается на некотором уровне выше напряжения V_DS (обычно 110…115% от V_DS). Отсечка происходит, когда напряжение пробоя внутреннего диода MOSFET ограничивает увеличение напряжения. Подтверждением является плоская вершина формы всплеска напряжения.

Лавинный пробой происходит из-за наличия индуктивности. Например, соленоид или двигатель испытывают аналогичный скачок напряжения при открытии ключа с разблокированной нагрузкой.

Существует немало статей на тему лавинного пробоя, в которых подробно описаны методики проектирования и расчета подобных цепей.

Важное отступление по сравнению транзисторов по параметрам лавинного пробоя. Раньше для оценки и тестирования старых транзисторов использовали в качестве нагрузки большие значения индуктивности, для тестирования новых транзисторов используют значительно меньшие величины. Данные различия нужно учитывать, когда производится сравнение транзисторов по параметрам лавинного пробоя, так как новые полевые транзисторы на первый взгляд будут выглядеть значительно хуже по характеристикам, чем более старые.

Линейный режим работы

Рассмотрим работу MOSFET в линейном режиме.

На рис. 11 в логарифмическом масштабе на горизонтальной оси отложены значения напряжения «сток-исток» V_DS, на вертикальной оси – значения тока стока I_D. Кривая области безопасной работы описывает прямо-смещенную характеристику MOSFET-транзистора.

Рис. 11. Область безопасных режимов MOSFET

Положительный наклон в первой декаде I_D/V_DS отражает постоянное сопротивление R_DS(ON), отрицательный – постоянную мощность. При низком напряжении MOSFET не может провести номинальный ток из-за сопротивления канала R_DS(ON) и низкого значения V_DS. Постоянное сопротивление R_DS(ON) показано линейно в первой части кривых (линия зеленого цвета) области безопасной работы.

Вторая часть кривой (серая линия) отражает максимальный ток через транзистор. Третья часть (синяя линия) — постоянная мощность MOSFET.

Четвертая часть (линии розового и фиолетового цветов) никогда не описывались, исключение составляют лишь самые новые технические описания у компании IR. Этот сегмент имеет отрицательный наклон свыше постоянной мощности. По сути это выглядит как вторичный пробой в биполярном транзисторе, но это не так. Здесь показана область стабильной работы транзистора в стабильном состоянии – напряжение V_DS выше, а ток I_D ниже максимально допустимого. Большинство импульсных устройств не работают в этом состоянии. В импульсном источнике питания транзистор находится либо во включенном состоянии, с низким V_DS и высоким током (левая верхняя линия области безопасной работы), либо выключен.

Вторая точка перелома на кривой области безопасной работы показывает границу Спирито. Эта точка перегиба возникает из-за микроскопических особенностей транзистора. MOSFET состоит из множества тысяч параллельных ячеек, каждая ячейка обладает примерно одинаковыми значениями V_DS и V_GS. Единственный параметр, который отличает ячейку от ячейки – усиление. Когда MOSFET находится в режиме насыщения, то разность в усилении не существенна. Но это заметно в линейном режиме. Ячейка с большим усилением пропускает больший ток, что вызывает локальный перегрев. Решением является перевод транзистора в насыщение, тогда ячейки оптимально распределяют ток, не вызывая перегревов. Наиболее оптимально работают в линейном режиме ранние планарные MOSFET. Обладая низкой плотностью ячейки и низким коэффициентом усиления, они лучше распределяют поток тепла на большой площади, что меньше сказывается на параметрах MOSFET в линейном режиме. Ранние планарные транзисторы (рис. 12) лучше подходят для линейных режимов работы, чем Trench-приборы.

Рис. 12. Сравнение технологий при работе в линейном режиме

Лучше всего это иллюстрируется в сравнении трех различных технологических процессов – ранняя планарная технология, обновленная планарная технология, и Trench-технология.

Для MOSFET, работающих в линейном режиме с постоянным напряжением «затвор-исток» V_GS, током стока I_D и температурой, повышение температуры (с сохранением постоянного значения V_GS) и увеличение тока приводит к тепловому уходу и нестабильности. И наоборот, уменьшение тока с ростом температуры приводит к повышению стабильности работы транзисторов в линейном режиме.

На графике ранних планарных MOSFET четко видна точка пересечения, после которой нагрев вызывает тот же или меньший ток для данного значения напряжения V_GS. Этого эффекта не наблюдается у MOSFET с обновленной планарной технологией и у Trench.

Обновленные планарные и Trench-MOSFET не подходят для технологий hot-swap и линейного регулирования, так как они тут же выйдут из линейного режима. Эти приложения требуют MOSFET ранней планарной технологии.

Инженеры по применению КОМПЭЛ могут дать вам ответ о технологии производства конкретного MOSFET и о возможности его применения в той или иной схеме.

Данный обзор должен помочь в решении множества проблем при создании прототипов устройств. И хотя не было затронуто большое количество параметров и основных направлений, была предпринята попытка объяснить основные механизмы, взаимодействия, и возможные пути решения возникающих проблем. Независимо от того проектируется ли DC/DC-преобразователь или схема hot-swap, этот материал будет полезен на всех уровнях, от миниатюрных до многоваттных устройств.

Источник