Οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία, την κατανάλωση, τον στρατιωτικό και άλλους τομείς και έχουν υψηλή στρατηγική θέση. Ας ρίξουμε μια ματιά στη συνολική εικόνα των συσκευών ισχύος από μια εικόνα:
Οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος μπορούν να χωριστούν σε πλήρους τύπου, ημι-ελεγχόμενου τύπου και μη ελεγχόμενου τύπου ανάλογα με τον βαθμό ελέγχου των σημάτων κυκλώματος. Ή σύμφωνα με τις ιδιότητες σήματος του κυκλώματος οδήγησης, μπορεί να χωριστεί σε τύπο τάσης, τύπο ρεύματος κ.λπ.
| Ταξινόμηση | τύπος | Ειδικές συσκευές ημιαγωγών ισχύος |
| Δυνατότητα ελέγχου ηλεκτρικών σημάτων | Ημιελεγχόμενος τύπος | SCR |
| Πλήρης έλεγχος | GTO, GTR, MOSFET, IGBT | |
| Αχαλίνωτος | Δίοδος ισχύος | |
| Ιδιότητες σήματος οδήγησης | Τύπος που κινείται με τάση | IGBT, MOSFET, SITH |
| Τρέχον οδηγούμενος τύπος | SCR, GTO, GTR | |
| Αποτελεσματική κυματομορφή σήματος | Τύπος παλμικής σκανδάλης | SCR、GTO |
| Ηλεκτρονικός τύπος ελέγχου | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Καταστάσεις στις οποίες συμμετέχουν ηλεκτρόνια που μεταφέρουν ρεύμα | διπολική συσκευή | Power Diode, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Μονοπολική συσκευή | MOSFET, SIT | |
| Σύνθετη συσκευή | MCT, IGBT, SITH και IGCT |
Διαφορετικές συσκευές ημιαγωγών ισχύος έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά όπως τάση, χωρητικότητα ρεύματος, ικανότητα αντίστασης και μέγεθος. Στην πραγματική χρήση, οι κατάλληλες συσκευές πρέπει να επιλέγονται σύμφωνα με διαφορετικά πεδία και ανάγκες.
Η βιομηχανία ημιαγωγών έχει περάσει από τρεις γενιές υλικών αλλαγών από τη γέννησή της. Μέχρι τώρα, το πρώτο υλικό ημιαγωγών που αντιπροσωπεύεται από το Si εξακολουθεί να χρησιμοποιείται κυρίως στον τομέα των συσκευών ημιαγωγών ισχύος.
| Υλικό ημιαγωγών | Bandgap (eV) | Σημείο τήξης (K) | κύρια εφαρμογή | |
| Ημιαγωγικά υλικά 1ης γενιάς | Ge | 1.1 | 1221 | Τρανζίστορ χαμηλής τάσης, χαμηλής συχνότητας, μέσης ισχύος, φωτοανιχνευτές |
| Υλικά ημιαγωγών 2ης γενιάς | Si | 0,7 | 1687 | |
| Υλικά ημιαγωγών 3ης γενιάς | GaAs | 1.4 | 1511 | Φούρνοι μικροκυμάτων, συσκευές κυμάτων χιλιοστού, συσκευές εκπομπής φωτός |
| Ούτω | 3.05 | 2826 | 1. Συσκευές υψηλής ισχύος υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής συχνότητας, ανθεκτικές στην ακτινοβολία 2. Μπλε, βαθμού, βιολετί διόδους εκπομπής φωτός, λέιζερ ημιαγωγών | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | - 3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Συνοψίστε τα χαρακτηριστικά των ημι-ελεγχόμενων και πλήρως ελεγχόμενων συσκευών ισχύος:
| Τύπος συσκευής | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Τύπος ελέγχου | Παλμική σκανδάλη | Τρέχον έλεγχος | έλεγχος τάσης | κέντρο κινηματογράφου |
| γραμμή αυτόματης απενεργοποίησης | Διακοπή λειτουργίας μεταγωγής | συσκευή αυτόματης απενεργοποίησης | συσκευή αυτόματης απενεργοποίησης | συσκευή αυτόματης απενεργοποίησης |
| συχνότητα εργασίας | ＜1 khz | ＜30 khz | 20 khz-Mhz | ＜40 khz |
| Δύναμη οδήγησης | μικρό | μεγάλος | μικρό | μικρό |
| απώλειες μεταγωγής | μεγάλος | μεγάλος | μεγάλος | μεγάλος |
| απώλεια αγωγιμότητας | μικρό | μικρό | μεγάλος | μικρό |
| Επίπεδο τάσης και ρεύματος | 最大 | μεγάλος | ελάχιστο | περισσότερο |
| Τυπικές εφαρμογές | Επαγωγική θέρμανση μεσαίας συχνότητας | Μετατροπέας συχνότητας UPS | τροφοδοτικό μεταγωγής | Μετατροπέας συχνότητας UPS |
| τιμή | κατώτατος | χαμηλότερος | στη μέση | Το πιο ακριβό |
| αποτέλεσμα διαμόρφωσης αγωγιμότητας | έχω | έχω | κανένας | έχω |
Γνωρίστε τα MOSFET
Το MOSFET έχει υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου, χαμηλό θόρυβο και καλή θερμική σταθερότητα. Έχει απλή διαδικασία κατασκευής και ισχυρή ακτινοβολία, επομένως χρησιμοποιείται συνήθως σε κυκλώματα ενισχυτών ή κυκλώματα μεταγωγής.
(1) Κύριες παράμετροι επιλογής: τάση πηγής αποστράγγισης VDS (αντοχή τάσης), ID συνεχούς ρεύματος διαρροής, αντίσταση ενεργοποίησης RDS(on), χωρητικότητα εισόδου Ciss (χωρητικότητα διασταύρωσης), συντελεστής ποιότητας FOM=Ron*Qg, κ.λπ.
(2) Σύμφωνα με διαφορετικές διαδικασίες, χωρίζεται σε TrenchMOS: MOSFET τάφρου, κυρίως στο πεδίο χαμηλής τάσης εντός 100V. SGT (Split Gate) MOSFET: split gate MOSFET, κυρίως στο πεδίο μέσης και χαμηλής τάσης εντός 200V. SJ MOSFET: MOSFET super junction, κυρίως στο πεδίο υψηλής τάσης 600-800V.
Σε ένα τροφοδοτικό μεταγωγής, όπως ένα κύκλωμα ανοιχτής αποστράγγισης, η αποστράγγιση συνδέεται με το φορτίο ανέπαφο, το οποίο ονομάζεται ανοιχτή αποστράγγιση. Σε ένα κύκλωμα ανοιχτής αποστράγγισης, ανεξάρτητα από το πόσο υψηλή τάση είναι συνδεδεμένο το φορτίο, το ρεύμα φορτίου μπορεί να ενεργοποιηθεί και να απενεργοποιηθεί. Είναι μια ιδανική αναλογική συσκευή μεταγωγής. Αυτή είναι η αρχή του MOSFET ως συσκευής μεταγωγής.
Όσον αφορά το μερίδιο αγοράς, τα MOSFET συγκεντρώνονται σχεδόν όλα στα χέρια μεγάλων διεθνών κατασκευαστών. Μεταξύ αυτών, η Infineon εξαγόρασε την IR (American International Rectifier Company) το 2015 και έγινε ηγέτης του κλάδου. Η ON Semiconductor ολοκλήρωσε επίσης την εξαγορά της Fairchild Semiconductor τον Σεπτέμβριο του 2016. , το μερίδιο αγοράς ανέβηκε στη δεύτερη θέση και στη συνέχεια οι ταξινομήσεις πωλήσεων ήταν οι Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna, κ.λπ.
Οι κύριες μάρκες MOSFET χωρίζονται σε διάφορες σειρές: αμερικανικές, ιαπωνικές και κορεάτικες.
Αμερικανικές σειρές: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS, κ.λπ.
Ιαπωνικά: Toshiba, Renesas, ROHM, κ.λπ.
Κορεατικές σειρές: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Κατηγορίες πακέτων MOSFET
Σύμφωνα με τον τρόπο εγκατάστασης στην πλακέτα PCB, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι πακέτων MOSFET: plug-in (Through Hole) και επιφανειακή βάση (Surface Mount). ,
Ο τύπος βύσματος σημαίνει ότι οι ακίδες του MOSFET περνούν από τις οπές στερέωσης της πλακέτας PCB και συγκολλούνται στην πλακέτα PCB. Τα κοινά πακέτα plug-in περιλαμβάνουν: dual in-line πακέτο (DIP), πακέτο περιγράμματος τρανζίστορ (TO) και πακέτο πίνακα πλέγματος ακροδεκτών (PGA).
Plug-in συσκευασία
Η επιφανειακή τοποθέτηση είναι όπου οι ακίδες MOSFET και η φλάντζα απαγωγής θερμότητας συγκολλούνται στα τακάκια στην επιφάνεια της πλακέτας PCB. Τα τυπικά πακέτα επιφανειακής τοποθέτησης περιλαμβάνουν: περίγραμμα τρανζίστορ (D-PAK), τρανζίστορ μικρού περιγράμματος (SOT), πακέτο μικρού περιγράμματος (SOP), τετραπλή επίπεδη συσκευασία (QFP), πλαστικό φορέα τσιπ με μόλυβδο (PLCC) κ.λπ.
συσκευασία επιφανειακής τοποθέτησης
Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, οι πλακέτες PCB, όπως οι μητρικές και οι κάρτες γραφικών, χρησιμοποιούν σήμερα όλο και λιγότερο άμεσες συσκευασίες plug-in και χρησιμοποιούνται περισσότερες επιφανειακές συσκευασίες.
1. Διπλό πακέτο σε σειρά (DIP)
Το πακέτο DIP έχει δύο σειρές ακίδων και πρέπει να εισαχθεί σε υποδοχή τσιπ με δομή DIP. Η μέθοδος παραγωγής του είναι το SDIP (Shrink DIP), το οποίο είναι ένα πακέτο συρρίκνωσης διπλής γραμμής. Η πυκνότητα της ακίδας είναι 6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του DIP.
Οι δομές συσκευασίας DIP περιλαμβάνουν: πολυστρωματικό κεραμικό διπλής γραμμής DIP, κεραμικό μονής στρώσης διπλής γραμμής DIP, μολύβδινο πλαίσιο DIP (συμπεριλαμβανομένου τύπου στεγανοποίησης γυαλιού-κεραμικού, τύπο δομής πλαστικής ενθυλάκωσης, κεραμική ενθυλάκωση γυαλιού χαμηλής τήξης τύπου) κ.λπ. Το χαρακτηριστικό της συσκευασίας DIP είναι ότι μπορεί εύκολα να πραγματοποιήσει συγκόλληση μέσω οπής πλακών PCB και έχει καλή συμβατότητα με τη μητρική πλακέτα.
Ωστόσο, επειδή η περιοχή συσκευασίας και το πάχος του είναι σχετικά μεγάλα και οι ακίδες καταστρέφονται εύκολα κατά τη διαδικασία βουλώματος και αποσύνδεσης, η αξιοπιστία είναι χαμηλή. Ταυτόχρονα, λόγω της επιρροής της διαδικασίας, ο αριθμός των καρφίδων γενικά δεν ξεπερνά τις 100. Επομένως, στη διαδικασία υψηλής ολοκλήρωσης της ηλεκτρονικής βιομηχανίας, η συσκευασία DIP έχει σταδιακά αποσυρθεί από το στάδιο της ιστορίας.
2. Πακέτο διάρθρωσης τρανζίστορ (TO)
Οι προδιαγραφές πρώιμης συσκευασίας, όπως TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, κ.λπ. είναι όλα σχέδια συσκευασίας plug-in.
TO-3P/247: Είναι μια φόρμα συσκευασίας που χρησιμοποιείται συνήθως για MOSFET μέσης-υψηλής τάσης και υψηλού ρεύματος. Το προϊόν έχει τα χαρακτηριστικά της υψηλής τάσης αντοχής και της ισχυρής αντοχής στη διάσπαση. ,
TO-220/220F: Το TO-220F είναι μια πλήρως πλαστική συσκευασία και δεν χρειάζεται να προσθέσετε μονωτικό επίθεμα κατά την τοποθέτησή του σε καλοριφέρ. Το TO-220 έχει ένα μεταλλικό φύλλο συνδεδεμένο στον μεσαίο πείρο και απαιτείται μονωτικό επίθεμα κατά την εγκατάσταση του ψυγείου. Τα MOSFET αυτών των δύο στυλ πακέτων έχουν παρόμοια εμφάνιση και μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά. ,
TO-251: Αυτό το συσκευασμένο προϊόν χρησιμοποιείται κυρίως για τη μείωση του κόστους και τη μείωση του μεγέθους του προϊόντος. Χρησιμοποιείται κυρίως σε περιβάλλοντα με μέση τάση και υψηλό ρεύμα κάτω από 60Α και υψηλή τάση κάτω από 7Ν. ,
TO-92: Αυτό το πακέτο χρησιμοποιείται μόνο για MOSFET χαμηλής τάσης (ρεύμα κάτω από 10A, αντοχή σε τάση κάτω από 60V) και υψηλής τάσης 1N60/65, προκειμένου να μειωθεί το κόστος.
Τα τελευταία χρόνια, λόγω του υψηλού κόστους συγκόλλησης της διαδικασίας συσκευασίας με plug-in και της κατώτερης απόδοσης απαγωγής θερμότητας σε προϊόντα τύπου patch, η ζήτηση στην αγορά επιφανειακής τοποθέτησης συνέχισε να αυξάνεται, γεγονός που οδήγησε επίσης στην ανάπτυξη της συσκευασίας TO σε επιφανειακή συσκευασία.
Το TO-252 (ονομάζεται επίσης D-PAK) και το TO-263 (D2PAK) είναι και τα δύο πακέτα επιφανειακής τοποθέτησης.
TO συσκευασία εμφάνιση προϊόντος
Το TO252/D-PAK είναι μια πλαστική συσκευασία τσιπ, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως για τη συσκευασία τρανζίστορ ισχύος και τσιπ σταθεροποίησης τάσης. Είναι ένα από τα τρέχοντα mainstream πακέτα. Το MOSFET που χρησιμοποιεί αυτή τη μέθοδο συσκευασίας έχει τρία ηλεκτρόδια, πύλη (G), αποστράγγιση (D) και πηγή (S). Ο πείρος αποστράγγισης (D) έχει κοπεί και δεν χρησιμοποιείται. Αντίθετα, η ψύκτρα στο πίσω μέρος χρησιμοποιείται ως αποχέτευση (D), η οποία συγκολλάται απευθείας στο PCB. Αφενός, χρησιμοποιείται για την έξοδο μεγάλων ρευμάτων και, αφετέρου, διαχέει τη θερμότητα μέσω του PCB. Επομένως, υπάρχουν τρία μαξιλαράκια D-PAK στο PCB και το υπόθεμα αποστράγγισης (D) είναι μεγαλύτερο. Οι προδιαγραφές συσκευασίας του είναι οι εξής:
Προδιαγραφές μεγέθους συσκευασίας TO-252/D-PAK
Το TO-263 είναι μια παραλλαγή του TO-220. Έχει σχεδιαστεί κυρίως για τη βελτίωση της απόδοσης παραγωγής και της απαγωγής θερμότητας. Υποστηρίζει εξαιρετικά υψηλό ρεύμα και τάση. Είναι πιο συνηθισμένο σε MOSFET υψηλού ρεύματος μέσης τάσης κάτω από 150A και πάνω από 30V. Εκτός από το D2PAK (TO-263AB), περιλαμβάνει επίσης TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 και άλλα στυλ, τα οποία είναι υποδεέστερα του TO-263, κυρίως λόγω του διαφορετικού αριθμού και απόστασης των ακίδων .
Προδιαγραφή μεγέθους συσκευασίας TO-263/D2PAKs
3. Καρφιτσώστε το πακέτο συστοιχίας πλέγματος (PGA)
Υπάρχουν πολλές καρφίτσες τετράγωνης συστοιχίας μέσα και έξω από το τσιπ PGA (Pin Grid Array Package). Κάθε καρφίτσα τετράγωνης διάταξης είναι διατεταγμένη σε μια ορισμένη απόσταση γύρω από το τσιπ. Ανάλογα με τον αριθμό των ακίδων, μπορεί να διαμορφωθεί σε 2 έως 5 κύκλους. Κατά την εγκατάσταση, απλώς τοποθετήστε το τσιπ στην ειδική υποδοχή PGA. Έχει τα πλεονεκτήματα της εύκολης πρίζας και αποσύνδεσης και υψηλής αξιοπιστίας και μπορεί να προσαρμοστεί σε υψηλότερες συχνότητες.
Στυλ πακέτου PGA
Τα περισσότερα από τα υποστρώματα τσιπ είναι κατασκευασμένα από κεραμικό υλικό, και μερικά χρησιμοποιούν ειδική πλαστική ρητίνη ως υπόστρωμα. Όσον αφορά την τεχνολογία, η απόσταση στο κέντρο της ακίδας είναι συνήθως 2,54 mm και ο αριθμός των ακίδων κυμαίνεται από 64 έως 447. Το χαρακτηριστικό αυτού του είδους συσκευασίας είναι ότι όσο μικρότερη είναι η περιοχή συσκευασίας (όγκος), τόσο μικρότερη είναι η κατανάλωση ισχύος (απόδοση ) αντέχει και το αντίστροφο. Αυτό το στυλ συσκευασίας των τσιπ ήταν πιο συνηθισμένο στις πρώτες μέρες και χρησιμοποιήθηκε κυρίως για τη συσκευασία προϊόντων υψηλής κατανάλωσης, όπως οι CPU. Για παράδειγμα, το 80486 και το Pentium της Intel χρησιμοποιούν αυτό το στυλ συσκευασίας. δεν υιοθετείται ευρέως από τους κατασκευαστές MOSFET.
4. Πακέτο τρανζίστορ Small Outline (SOT)
Το SOT (Small Out-Line Transistor) είναι ένα πακέτο τρανζίστορ μικρής ισχύος τύπου patch, που περιλαμβάνει κυρίως SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (δηλ. SOT23-5), κ.λπ. προερχόμενα, τα οποία είναι μικρότερα σε μέγεθος από τα πακέτα TO.
Τύπος συσκευασίας SOT
Το SOT23 είναι ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πακέτο τρανζίστορ με τρεις ακίδες σε σχήμα πτερυγίου, δηλαδή συλλέκτη, πομπό και βάση, οι οποίοι παρατίθενται και στις δύο πλευρές της μεγάλης πλευράς του εξαρτήματος. Μεταξύ αυτών, ο πομπός και η βάση βρίσκονται στην ίδια πλευρά. Είναι κοινά σε τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, τρανζίστορ εφέ πεδίου και σύνθετα τρανζίστορ με δίκτυα αντιστάσεων. Έχουν καλή αντοχή αλλά κακή συγκόλληση. Η εμφάνιση φαίνεται στο σχήμα (α) παρακάτω.
Το SOT89 έχει τρεις κοντές ακίδες κατανεμημένες στη μία πλευρά του τρανζίστορ. Η άλλη πλευρά είναι μια μεταλλική ψύκτρα συνδεδεμένη με τη βάση για να αυξήσει την ικανότητα απαγωγής θερμότητας. Είναι κοινό σε τρανζίστορ επιφανειακής βάσης ισχύος πυριτίου και είναι κατάλληλο για εφαρμογές υψηλότερης ισχύος. Η εμφάνιση φαίνεται στο σχήμα (β) παρακάτω. ,
Το SOT143 έχει τέσσερις κοντές καρφίτσες σε σχήμα φτερού, οι οποίες οδηγούνται και από τις δύο πλευρές. Το φαρδύτερο άκρο του πείρου είναι ο συλλέκτης. Αυτός ο τύπος συσκευασίας είναι κοινός σε τρανζίστορ υψηλής συχνότητας και η εμφάνισή του φαίνεται στο σχήμα (γ) παρακάτω. ,
Το SOT252 είναι ένα τρανζίστορ υψηλής ισχύος με τρεις ακίδες που οδηγούν από τη μία πλευρά και η μεσαία ακίδα είναι πιο κοντή και είναι ο συλλέκτης. Συνδέστε στον μεγαλύτερο πείρο στο άλλο άκρο, που είναι ένα φύλλο χαλκού για απαγωγή θερμότητας, και η εμφάνισή του είναι όπως φαίνεται στο σχήμα (δ) παρακάτω.
Κοινή σύγκριση εμφάνισης πακέτου SOT
Το SOT-89 MOSFET τεσσάρων τερματικών χρησιμοποιείται συνήθως σε μητρικές πλακέτες. Οι προδιαγραφές και οι διαστάσεις του είναι οι εξής:
Προδιαγραφές μεγέθους SOT-89 MOSFET (μονάδα: mm)
5. Πακέτο Small Outline (SOP)
Το SOP (Small Out-Line Package) είναι ένα από τα πακέτα επιφανειακής τοποθέτησης, που ονομάζεται επίσης SOL ή DFP. Οι καρφίτσες βγαίνουν και από τις δύο πλευρές της συσκευασίας σε σχήμα φτερού γλάρου (σχήμα L). Τα υλικά είναι πλαστικό και κεραμικό. Τα πρότυπα συσκευασίας SOP περιλαμβάνουν SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, κ.λπ. Ο αριθμός μετά το SOP υποδεικνύει τον αριθμό των ακίδων. Τα περισσότερα πακέτα MOSFET SOP υιοθετούν τις προδιαγραφές SOP-8. Η βιομηχανία συχνά παραλείπει το "P" και το συντομεύει ως SO (Small Out-Line).
Μέγεθος συσκευασίας SOP-8
Το SO-8 αναπτύχθηκε για πρώτη φορά από την εταιρεία PHILIP. Είναι συσκευασμένο σε πλαστικό, δεν έχει κάτω πλάκα απαγωγής θερμότητας και έχει κακή απαγωγή θερμότητας. Χρησιμοποιείται γενικά για MOSFET χαμηλής κατανάλωσης. Αργότερα, προέκυψαν σταδιακά τυπικές προδιαγραφές όπως TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) κ.λπ. Μεταξύ αυτών, τα TSOP και TSSOP χρησιμοποιούνται συνήθως σε συσκευασίες MOSFET.
Προδιαγραφές που προέρχονται από SOP που χρησιμοποιούνται συνήθως για MOSFET
6. Quad Flat Package (QFP)
Η απόσταση μεταξύ των ακίδων τσιπ στη συσκευασία QFP (Plastic Quad Flat Package) είναι πολύ μικρή και οι ακίδες είναι πολύ λεπτές. Χρησιμοποιείται γενικά σε μεγάλης κλίμακας ή εξαιρετικά μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα και ο αριθμός των ακίδων είναι γενικά πάνω από 100. Τα τσιπ που συσκευάζονται σε αυτή τη μορφή πρέπει να χρησιμοποιούν τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης SMT για τη συγκόλληση του τσιπ στη μητρική πλακέτα. Αυτή η μέθοδος συσκευασίας έχει τέσσερα κύρια χαρακτηριστικά: ① Είναι κατάλληλη για την τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης SMD για την εγκατάσταση καλωδίων σε πλακέτες κυκλωμάτων PCB. ② Είναι κατάλληλο για χρήση υψηλής συχνότητας. ③ Είναι εύκολο στη λειτουργία και έχει υψηλή αξιοπιστία. ④ Η αναλογία μεταξύ της περιοχής των τσιπ και της περιοχής συσκευασίας είναι μικρή. Όπως η μέθοδος συσκευασίας PGA, αυτή η μέθοδος συσκευασίας τυλίγει το τσιπ σε πλαστική συσκευασία και δεν μπορεί να διαχέει τη θερμότητα που παράγεται όταν το τσιπ λειτουργεί έγκαιρα. Περιορίζει τη βελτίωση της απόδοσης του MOSFET. και η ίδια η πλαστική συσκευασία αυξάνει το μέγεθος της συσκευής, το οποίο δεν πληροί τις απαιτήσεις για την ανάπτυξη ημιαγωγών προς την κατεύθυνση του να είναι ελαφρύ, λεπτό, κοντό και μικρό. Επιπλέον, αυτός ο τύπος μεθόδου συσκευασίας βασίζεται σε ένα μόνο τσιπ, το οποίο έχει τα προβλήματα της χαμηλής απόδοσης παραγωγής και του υψηλού κόστους συσκευασίας. Επομένως, το QFP είναι πιο κατάλληλο για χρήση σε ψηφιακά λογικά κυκλώματα LSI, όπως μικροεπεξεργαστές/συστοιχίες πύλης, και είναι επίσης κατάλληλο για τη συσκευασία προϊόντων αναλογικού κυκλώματος LSI, όπως η επεξεργασία σήματος VTR και η επεξεργασία σήματος ήχου.
7, Τετραπλή επίπεδη συσκευασία χωρίς καλώδια (QFN)
Η συσκευασία QFN (Quad Flat Non-Leaded πακέτο) είναι εξοπλισμένη με επαφές ηλεκτροδίων και στις τέσσερις πλευρές. Επειδή δεν υπάρχουν καλώδια, η περιοχή τοποθέτησης είναι μικρότερη από το QFP και το ύψος είναι μικρότερο από το QFP. Μεταξύ αυτών, το κεραμικό QFN ονομάζεται επίσης LCC (Leadless Chip Carriers) και το χαμηλού κόστους πλαστικό QFN που χρησιμοποιεί υλικό βάσης υποστρώματος εκτυπωμένο με γυάλινη εποξική ρητίνη ονομάζεται πλαστικό LCC, PCLC, P-LCC, κ.λπ. Είναι μια αναδυόμενη συσκευασία τσιπ επιφανειακής τοποθέτησης τεχνολογία με μικρό μέγεθος μαξιλαριού, μικρό όγκο και πλαστικό ως υλικό στεγανοποίησης. Το QFN χρησιμοποιείται κυρίως για τη συσκευασία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και το MOSFET δεν θα χρησιμοποιηθεί. Ωστόσο, επειδή η Intel πρότεινε ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα οδήγησης και λύση MOSFET, κυκλοφόρησε το DrMOS σε πακέτο QFN-56 (το "56" αναφέρεται στις 56 ακίδες σύνδεσης στο πίσω μέρος του τσιπ).
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το πακέτο QFN έχει την ίδια διαμόρφωση εξωτερικού ηλεκτροδίου με το εξαιρετικά λεπτό πακέτο μικρού περιγράμματος (TSSOP), αλλά το μέγεθός του είναι 62% μικρότερο από το TSSOP. Σύμφωνα με τα δεδομένα μοντελοποίησης QFN, η θερμική του απόδοση είναι 55% υψηλότερη από αυτή της συσκευασίας TSSOP και η ηλεκτρική του απόδοση (επαγωγή και χωρητικότητα) είναι 60% και 30% υψηλότερη από τη συσκευασία TSSOP αντίστοιχα. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα είναι ότι είναι δύσκολο να επισκευαστεί.
DrMOS σε συσκευασία QFN-56
Τα παραδοσιακά διακριτά τροφοδοτικά μεταγωγής DC/DC δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις για υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, ούτε μπορούν να λύσουν το πρόβλημα των παρασιτικών επιδράσεων στις υψηλές συχνότητες μεταγωγής. Με την καινοτομία και την πρόοδο της τεχνολογίας, έχει γίνει πραγματικότητα η ενσωμάτωση προγραμμάτων οδήγησης και MOSFET για την κατασκευή μονάδων πολλαπλών τσιπ. Αυτή η μέθοδος ολοκλήρωσης μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικό χώρο και να αυξήσει την πυκνότητα κατανάλωσης ενέργειας. Μέσω της βελτιστοποίησης προγραμμάτων οδήγησης και MOSFET, έχει γίνει πραγματικότητα. Απόδοση ισχύος και υψηλής ποιότητας ρεύμα DC, αυτό είναι το ενσωματωμένο IC προγράμματος οδήγησης DrMOS.
Renesas 2ης γενιάς DrMOS
Το πακέτο χωρίς μόλυβδο QFN-56 καθιστά τη θερμική αντίσταση DrMOS πολύ χαμηλή. Με εσωτερική συγκόλληση καλωδίων και σχεδιασμό κλιπ χαλκού, η εξωτερική καλωδίωση PCB μπορεί να ελαχιστοποιηθεί, μειώνοντας έτσι την επαγωγή και την αντίσταση. Επιπλέον, η διαδικασία MOSFET πυριτίου βαθέων καναλιών που χρησιμοποιείται μπορεί επίσης να μειώσει σημαντικά τις απώλειες αγωγιμότητας, μεταγωγής και φόρτισης πύλης. Είναι συμβατό με μια ποικιλία ελεγκτών, μπορεί να επιτύχει διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας και υποστηρίζει τη λειτουργία ενεργούς μετατροπής φάσης APS (Αυτόματη εναλλαγή φάσης). Εκτός από τη συσκευασία QFN, η διμερής επίπεδη συσκευασία χωρίς μόλυβδο (DFN) είναι επίσης μια νέα διαδικασία ηλεκτρονικής συσκευασίας που έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορα εξαρτήματα του ON Semiconductor. Σε σύγκριση με το QFN, το DFN έχει λιγότερα ηλεκτρόδια απαγωγής και στις δύο πλευρές.
8, Πλαστικός φορέας τσιπ με μόλυβδο (PLCC)
Το PLCC (Plastic Quad Flat Package) έχει τετράγωνο σχήμα και είναι πολύ μικρότερο από το πακέτο DIP. Έχει 32 ακίδες με καρφίτσες γύρω γύρω. Οι καρφίτσες οδηγούνται έξω από τις τέσσερις πλευρές της συσκευασίας σε σχήμα Τ. Είναι ένα πλαστικό προϊόν. Η απόσταση του κέντρου της ακίδας είναι 1,27 mm και ο αριθμός των ακίδων κυμαίνεται από 18 έως 84. Οι ακίδες σχήματος J δεν παραμορφώνονται εύκολα και λειτουργούν ευκολότερα από το QFP, αλλά η επιθεώρηση εμφάνισης μετά τη συγκόλληση είναι πιο δύσκολη. Η συσκευασία PLCC είναι κατάλληλη για εγκατάσταση καλωδίωσης σε PCB χρησιμοποιώντας τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης SMT. Έχει τα πλεονεκτήματα του μικρού μεγέθους και της υψηλής αξιοπιστίας. Η συσκευασία PLCC είναι σχετικά κοινή και χρησιμοποιείται σε λογικά LSI, DLD (ή συσκευή λογικής προγράμματος) και σε άλλα κυκλώματα. Αυτή η μορφή συσκευασίας χρησιμοποιείται συχνά στο BIOS της μητρικής πλακέτας, αλλά αυτή τη στιγμή είναι λιγότερο συνηθισμένη στα MOSFET.
Ενθυλάκωση και βελτίωση για τις κύριες επιχειρήσεις
Λόγω της τάσης ανάπτυξης χαμηλής τάσης και υψηλού ρεύματος στις CPU, τα MOSFET απαιτείται να έχουν μεγάλο ρεύμα εξόδου, χαμηλή αντίσταση ενεργοποίησης, χαμηλή παραγωγή θερμότητας, γρήγορη απαγωγή θερμότητας και μικρό μέγεθος. Εκτός από τη βελτίωση της τεχνολογίας και των διαδικασιών παραγωγής τσιπ, οι κατασκευαστές MOSFET συνεχίζουν επίσης να βελτιώνουν την τεχνολογία συσκευασίας. Με βάση τη συμβατότητα με τις τυπικές προδιαγραφές εμφάνισης, προτείνουν νέα σχήματα συσκευασίας και καταχωρούν εμπορικά σήματα για τις νέες συσκευασίες που αναπτύσσουν.
1, πακέτα RENESAS WPAK, LFPAK και LFPAK-I
Το WPAK είναι ένα πακέτο υψηλής θερμικής ακτινοβολίας που αναπτύχθηκε από τη Renesas. Μιμώντας το πακέτο D-PAK, η ψύκτρα του τσιπ συγκολλάται στη μητρική πλακέτα και η θερμότητα διαχέεται μέσω της μητρικής πλακέτας, έτσι ώστε το μικρό πακέτο WPAK να μπορεί επίσης να φτάσει στο ρεύμα εξόδου του D-PAK. Το WPAK-D2 συσκευάζει δύο MOSFET υψηλού/χαμηλού για τη μείωση της επαγωγής της καλωδίωσης.
Μέγεθος συσκευασίας Renesas WPAK
Τα LFPAK και LFPAK-I είναι δύο άλλα πακέτα μικρών παραγόντων μορφής που αναπτύχθηκαν από τη Renesas και είναι συμβατά με το SO-8. Το LFPAK είναι παρόμοιο με το D-PAK, αλλά μικρότερο από το D-PAK. Το LFPAK-i τοποθετεί την ψύκτρα προς τα πάνω για να διαχέει τη θερμότητα μέσω της ψύκτρας.
Πακέτα Renesas LFPAK και LFPAK-I
2. Συσκευασίες Vishay Power-PAK και Polar-PAK
Το Power-PAK είναι το όνομα πακέτου MOSFET που έχει καταχωριστεί από την Vishay Corporation. Το Power-PAK περιλαμβάνει δύο προδιαγραφές: Power-PAK1212-8 και Power-PAK SO-8.
Συσκευασία Vishay Power-PAK1212-8
Πακέτο Vishay Power-PAK SO-8
Το Polar PAK είναι μια μικρή συσκευασία με απαγωγή θερμότητας διπλής όψης και αποτελεί μια από τις βασικές τεχνολογίες συσκευασίας της Vishay. Το Polar PAK είναι το ίδιο με το συνηθισμένο πακέτο so-8. Διαθέτει σημεία διαρροής τόσο στην επάνω όσο και στην κάτω πλευρά της συσκευασίας. Δεν είναι εύκολο να συσσωρευτεί θερμότητα μέσα στη συσκευασία και μπορεί να αυξήσει την πυκνότητα ρεύματος του ρεύματος λειτουργίας σε διπλάσια από αυτή του SO-8. Επί του παρόντος, η Vishay έχει αδειοδοτήσει την τεχνολογία Polar PAK στην STMicroelectronics.
Πακέτο Vishay Polar PAK
3. Επίπεδες συσκευασίες Onsemi SO-8 και WDFN8
Η ON Semiconductor έχει αναπτύξει δύο τύπους MOSFET με επίπεδο μόλυβδο, μεταξύ των οποίων τα συμβατά με SO-8 επίπεδα μολύβδου χρησιμοποιούνται από πολλές πλακέτες. ON Τα πρόσφατα λανσαρισμένα MOSFET ισχύος NVMx και NVTx της Semiconductor χρησιμοποιούν συμπαγή πακέτα DFN5 (SO-8FL) και WDFN8 για την ελαχιστοποίηση των απωλειών αγωγιμότητας. Διαθέτει επίσης χαμηλό QG και χωρητικότητα για την ελαχιστοποίηση των απωλειών του οδηγού.
Πακέτο ON Semiconductor SO-8 Flat Lead
ON συσκευασία Semiconductor WDFN8
4. Συσκευασίες NXP LFPAK και QLPAK
Η NXP (πρώην Philps) έχει βελτιώσει την τεχνολογία συσκευασίας SO-8 σε LFPAK και QLPAK. Μεταξύ αυτών, το LFPAK θεωρείται το πιο αξιόπιστο πακέτο ισχύος SO-8 στον κόσμο. ενώ το QLPAK έχει τα χαρακτηριστικά του μικρού μεγέθους και της υψηλότερης απόδοσης απαγωγής θερμότητας. Σε σύγκριση με το συνηθισμένο SO-8, το QLPAK καταλαμβάνει επιφάνεια πλακέτας PCB 6*5 mm και έχει θερμική αντίσταση 1,5 k/W.
Πακέτο NXP LFPAK
Συσκευασία NXP QLPAK
4. Πακέτο ST Semiconductor PowerSO-8
Οι τεχνολογίες συσκευασίας τσιπ power MOSFET της STMicroelectronics περιλαμβάνουν SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, κ.λπ. Μεταξύ αυτών, το Power SO-8 είναι μια βελτιωμένη έκδοση του SO-8. Επιπλέον, υπάρχουν πακέτα PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 και άλλα πακέτα.
Πακέτο STMicroelectronics Power SO-8
5. Συσκευασία Fairchild Semiconductor Power 56
Το Power 56 είναι το αποκλειστικό όνομα του Farichild και η επίσημη ονομασία του είναι DFN5×6. Η περιοχή συσκευασίας του είναι συγκρίσιμη με αυτή του συνήθως χρησιμοποιούμενου TSOP-8 και η λεπτή συσκευασία εξοικονομεί ύψος απόστασης εξαρτημάτων και ο σχεδιασμός Thermal-Pad στο κάτω μέρος μειώνει τη θερμική αντίσταση. Επομένως, πολλοί κατασκευαστές συσκευών ισχύος έχουν αναπτύξει το DFN5×6.
Πακέτο Fairchild Power 56
6. International Rectifier (IR) Direct FET πακέτο
Το Direct FET παρέχει αποτελεσματική ανώτερη ψύξη σε SO-8 ή μικρότερο αποτύπωμα και είναι κατάλληλο για εφαρμογές μετατροπής ισχύος AC-DC και DC-DC σε υπολογιστές, φορητούς υπολογιστές, τηλεπικοινωνίες και ηλεκτρονικό εξοπλισμό ευρείας κατανάλωσης. Η κατασκευή μεταλλικού κουτιού του DirectFET παρέχει απαγωγή θερμότητας διπλής όψης, διπλασιάζοντας αποτελεσματικά τις τρέχουσες δυνατότητες χειρισμού των μετατροπέων buck DC-DC υψηλής συχνότητας σε σύγκριση με τις τυπικές πλαστικές διακριτές συσκευασίες. Η συσκευασία Direct FET είναι τύπου ανάστροφης τοποθέτησης, με την ψύκτρα αποστράγγισης (D) στραμμένη προς τα πάνω και καλυμμένη με μεταλλικό κέλυφος, μέσω του οποίου διαχέεται η θερμότητα. Η άμεση συσκευασία FET βελτιώνει σημαντικά τη διάχυση θερμότητας και καταλαμβάνει λιγότερο χώρο με καλή απαγωγή θερμότητας.
Συνοψίζω
Στο μέλλον, καθώς η βιομηχανία ηλεκτρονικών κατασκευών συνεχίζει να αναπτύσσεται προς την κατεύθυνση της εξαιρετικά λεπτής, μικρογραφίας, χαμηλής τάσης και υψηλού ρεύματος, η εμφάνιση και η εσωτερική δομή συσκευασίας του MOSFET θα αλλάξει επίσης για να προσαρμοστεί καλύτερα στις αναπτυξιακές ανάγκες της κατασκευής βιομηχανία. Επιπλέον, προκειμένου να μειωθεί το όριο επιλογής για τους κατασκευαστές ηλεκτρονικών, η τάση ανάπτυξης του MOSFET προς την κατεύθυνση της σπονδυλοποίησης και της συσκευασίας σε επίπεδο συστήματος θα γίνεται ολοένα και πιο εμφανής και τα προϊόντα θα αναπτύσσονται με συντονισμένο τρόπο από πολλαπλές διαστάσεις όπως η απόδοση και το κόστος . Το πακέτο είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες αναφοράς για την επιλογή MOSFET. Διαφορετικά ηλεκτρονικά προϊόντα έχουν διαφορετικές ηλεκτρικές απαιτήσεις και διαφορετικά περιβάλλοντα εγκατάστασης απαιτούν επίσης αντίστοιχες προδιαγραφές μεγέθους για να πληρούνται. Στην πραγματική επιλογή, η απόφαση θα πρέπει να λαμβάνεται σύμφωνα με τις πραγματικές ανάγκες σύμφωνα με τη γενική αρχή. Ορισμένα ηλεκτρονικά συστήματα περιορίζονται από το μέγεθος του PCB και το εσωτερικό ύψος. Για παράδειγμα, τα τροφοδοτικά μονάδων συστημάτων επικοινωνίας συνήθως χρησιμοποιούν πακέτα DFN5*6 και DFN3*3 λόγω περιορισμών ύψους. Σε ορισμένα τροφοδοτικά ACDC, τα εξαιρετικά λεπτά σχέδια ή λόγω περιορισμών του κελύφους είναι κατάλληλα για τη συναρμολόγηση συσκευασμένων τροφοδοτικών MOSFET TO220. Αυτή τη στιγμή, οι καρφίτσες μπορούν να εισαχθούν απευθείας στη ρίζα, η οποία δεν είναι κατάλληλη για συσκευασμένα προϊόντα TO247. Ορισμένα εξαιρετικά λεπτά σχέδια απαιτούν οι ακίδες της συσκευής να λυγίζονται και να τοποθετούνται επίπεδες, γεγονός που θα αυξήσει την πολυπλοκότητα της επιλογής MOSFET.
Πώς να επιλέξετε MOSFET
Κάποτε ένας μηχανικός μου είπε ότι δεν κοίταξε ποτέ την πρώτη σελίδα ενός φύλλου δεδομένων MOSFET επειδή οι "πρακτικές" πληροφορίες εμφανίζονταν μόνο στη δεύτερη σελίδα και μετά. Σχεδόν κάθε σελίδα σε ένα φύλλο δεδομένων MOSFET περιέχει πολύτιμες πληροφορίες για τους σχεδιαστές. Αλλά δεν είναι πάντα σαφές πώς να ερμηνεύσετε τα δεδομένα που παρέχονται από τους κατασκευαστές.
Αυτό το άρθρο περιγράφει ορισμένες από τις βασικές προδιαγραφές των MOSFET, τον τρόπο με τον οποίο αναφέρονται στο φύλλο δεδομένων και τη σαφή εικόνα που χρειάζεστε για να τα κατανοήσετε. Όπως οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές, τα MOSFET επηρεάζονται από τη θερμοκρασία λειτουργίας. Επομένως, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις συνθήκες δοκιμής υπό τις οποίες εφαρμόζονται οι αναφερόμενοι δείκτες. Είναι επίσης σημαντικό να κατανοήσετε εάν οι δείκτες που βλέπετε στην "Εισαγωγή προϊόντος" είναι "μέγιστες" ή "τυπικές" τιμές, επειδή ορισμένα φύλλα δεδομένων δεν το καθιστούν σαφές.
Βαθμός τάσης
Το κύριο χαρακτηριστικό που καθορίζει ένα MOSFET είναι η τάση της πηγής αποστράγγισης VDS, ή η "τάση κατάρρευσης της πηγής αποστράγγισης", η οποία είναι η υψηλότερη τάση που μπορεί να αντέξει το MOSFET χωρίς ζημιά όταν η πύλη βραχυκυκλώνεται στην πηγή και το ρεύμα αποστράγγισης είναι 250 μΑ. . Το VDS ονομάζεται επίσης "απόλυτη μέγιστη τάση στους 25°C", αλλά είναι σημαντικό να θυμάστε ότι αυτή η απόλυτη τάση εξαρτάται από τη θερμοκρασία και συνήθως υπάρχει ένας "συντελεστής θερμοκρασίας VDS" στο φύλλο δεδομένων. Πρέπει επίσης να καταλάβετε ότι το μέγιστο VDS είναι η τάση συνεχούς ρεύματος συν τυχόν αιχμές και κυματισμοί τάσης που μπορεί να υπάρχουν στο κύκλωμα. Για παράδειγμα, εάν χρησιμοποιείτε μια συσκευή 30V σε τροφοδοτικό 30V με ακίδα 100mV, 5ns, η τάση θα υπερβεί το απόλυτο μέγιστο όριο της συσκευής και η συσκευή μπορεί να μπει σε λειτουργία χιονοστιβάδας. Σε αυτήν την περίπτωση, η αξιοπιστία του MOSFET δεν είναι εγγυημένη. Σε υψηλές θερμοκρασίες, ο συντελεστής θερμοκρασίας μπορεί να αλλάξει σημαντικά την τάση διάσπασης. Για παράδειγμα, ορισμένα MOSFET N καναλιών με ονομαστική τάση 600 V έχουν θετικό συντελεστή θερμοκρασίας. Καθώς πλησιάζουν τη μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης, ο συντελεστής θερμοκρασίας κάνει αυτά τα MOSFET να συμπεριφέρονται όπως τα MOSFET 650 V. Πολλοί κανόνες σχεδιασμού χρηστών MOSFET απαιτούν συντελεστή μείωσης 10% έως 20%. Σε ορισμένα σχέδια, λαμβάνοντας υπόψη ότι η πραγματική τάση διάσπασης είναι 5% έως 10% υψηλότερη από την ονομαστική τιμή στους 25°C, ένα αντίστοιχο χρήσιμο περιθώριο σχεδιασμού θα προστεθεί στον πραγματικό σχεδιασμό, το οποίο είναι πολύ ωφέλιμο για τη σχεδίαση. Εξίσου σημαντική για τη σωστή επιλογή των MOSFET είναι η κατανόηση του ρόλου της τάσης πύλης-πηγής VGS κατά τη διαδικασία αγωγής. Αυτή η τάση είναι η τάση που εξασφαλίζει την πλήρη αγωγιμότητα του MOSFET υπό μια δεδομένη μέγιστη συνθήκη RDS(on). Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αντίσταση ενεργοποίησης σχετίζεται πάντα με το επίπεδο VGS και μόνο σε αυτήν την τάση μπορεί να ενεργοποιηθεί η συσκευή. Μια σημαντική συνέπεια σχεδιασμού είναι ότι δεν μπορείτε να ενεργοποιήσετε πλήρως το MOSFET με τάση χαμηλότερη από την ελάχιστη VGS που χρησιμοποιείται για την επίτευξη της βαθμολογίας RDS(on). Για παράδειγμα, για να ενεργοποιήσετε πλήρως ένα MOSFET με μικροελεγκτή 3,3 V, πρέπει να μπορείτε να ενεργοποιήσετε το MOSFET σε VGS=2,5 V ή χαμηλότερη.
Επί της αντίστασης, φόρτιση πύλης και «αριθμός αξίας»
Η αντίσταση ενός MOSFET προσδιορίζεται πάντα σε μία ή περισσότερες τάσεις πύλης σε πηγή. Το μέγιστο όριο RDS(on) μπορεί να είναι 20% έως 50% υψηλότερο από την τυπική τιμή. Το μέγιστο όριο του RDS(on) συνήθως αναφέρεται στην τιμή σε θερμοκρασία διασταύρωσης 25°C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, το RDS(on) μπορεί να αυξηθεί κατά 30% έως 150%, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Επειδή το RDS(on) αλλάζει με τη θερμοκρασία και η ελάχιστη τιμή αντίστασης δεν μπορεί να είναι εγγυημένη, η ανίχνευση ρεύματος με βάση το RDS(on) δεν είναι μια πολύ ακριβής μέθοδος.
Σχήμα 1 Το RDS(on) αυξάνεται με τη θερμοκρασία στην περιοχή από 30% έως 150% της μέγιστης θερμοκρασίας λειτουργίας
Η αντίσταση είναι πολύ σημαντική τόσο για τα MOSFET N-καναλιού όσο και για τα P-channel. Σε τροφοδοτικά μεταγωγής, το Qg είναι ένα βασικό κριτήριο επιλογής για τα MOSFET N καναλιών που χρησιμοποιούνται στην εναλλαγή τροφοδοτικών επειδή το Qg επηρεάζει τις απώλειες μεταγωγής. Αυτές οι απώλειες έχουν δύο αποτελέσματα: το ένα είναι ο χρόνος ενεργοποίησης που επηρεάζει την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του MOSFET. το άλλο είναι η ενέργεια που απαιτείται για τη φόρτιση της χωρητικότητας της πύλης κατά τη διάρκεια κάθε διαδικασίας μεταγωγής. Ένα πράγμα που πρέπει να θυμάστε είναι ότι το Qg εξαρτάται από την τάση της πύλης-πηγής, ακόμα κι αν η χρήση χαμηλότερου Vgs μειώνει τις απώλειες μεταγωγής. Ως γρήγορος τρόπος σύγκρισης MOSFET που προορίζονται για χρήση σε εφαρμογές μεταγωγής, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν συχνά έναν μοναδικό τύπο που αποτελείται από RDS(on) για απώλειες αγωγιμότητας και Qg για απώλειες μεταγωγής: RDS(on)xQg. Αυτό το "σχήμα αξίας" (FOM) συνοψίζει την απόδοση της συσκευής και επιτρέπει τη σύγκριση των MOSFET ως προς τις τυπικές ή τις μέγιστες τιμές. Για να διασφαλίσετε μια ακριβή σύγκριση μεταξύ συσκευών, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείται το ίδιο VGS για τα RDS(on) και Qg και ότι οι τυπικές και οι μέγιστες τιμές δεν τυχαίνει να αναμιγνύονται μεταξύ τους στη δημοσίευση. Το χαμηλότερο FOM θα σας προσφέρει καλύτερη απόδοση στην εναλλαγή εφαρμογών, αλλά δεν είναι εγγυημένο. Τα καλύτερα αποτελέσματα σύγκρισης μπορούν να ληφθούν μόνο σε ένα πραγματικό κύκλωμα και σε ορισμένες περιπτώσεις το κύκλωμα μπορεί να χρειαστεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια για κάθε MOSFET. Ονομαστικό ρεύμα και απαγωγή ισχύος, με βάση διαφορετικές συνθήκες δοκιμής, τα περισσότερα MOSFET έχουν ένα ή περισσότερα συνεχή ρεύματα αποστράγγισης στο φύλλο δεδομένων. Θα θελήσετε να δείτε προσεκτικά το φύλλο δεδομένων για να καταλάβετε εάν η βαθμολογία είναι στην καθορισμένη θερμοκρασία περίπτωσης (π.χ. TC=25°C) ή στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (π.χ. TA=25°C). Ποια από αυτές τις τιμές είναι πιο σχετική θα εξαρτηθεί από τα χαρακτηριστικά και την εφαρμογή της συσκευής (βλ. Εικόνα 2).
Σχήμα 2 Όλες οι απόλυτες μέγιστες τιμές ρεύματος και ισχύος είναι πραγματικά δεδομένα
Για συσκευές τοποθέτησης σε μικρή επιφάνεια που χρησιμοποιούνται σε συσκευές χειρός, το πιο σχετικό επίπεδο ρεύματος μπορεί να είναι αυτό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 70°C. Για μεγάλο εξοπλισμό με ψύκτρες και εξαναγκασμένη ψύξη αέρα, το τρέχον επίπεδο στο TA=25℃ μπορεί να είναι πιο κοντά στην πραγματική κατάσταση. Για ορισμένες συσκευές, η μήτρα μπορεί να χειριστεί περισσότερο ρεύμα στη μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης από τα όρια της συσκευασίας. Σε ορισμένα φύλλα δεδομένων, αυτό το επίπεδο ρεύματος "περιορισμένου ποσού" είναι πρόσθετες πληροφορίες στο τρέχον επίπεδο "περιορισμένου πακέτου", το οποίο μπορεί να σας δώσει μια ιδέα για την ανθεκτικότητα του καλουπιού. Παρόμοιες εκτιμήσεις ισχύουν για τη συνεχή απαγωγή ισχύος, η οποία εξαρτάται όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από το χρόνο. Φανταστείτε μια συσκευή να λειτουργεί συνεχώς σε PD=4W για 10 δευτερόλεπτα σε TA=70℃. Το τι συνιστά μια "συνεχή" χρονική περίοδο θα ποικίλλει ανάλογα με το πακέτο MOSFET, επομένως θα θελήσετε να χρησιμοποιήσετε την κανονικοποιημένη γραφική παράσταση θερμικής μεταβατικής σύνθετης αντίστασης από το φύλλο δεδομένων για να δείτε πώς φαίνεται η απαγωγή ισχύος μετά από 10 δευτερόλεπτα, 100 δευτερόλεπτα ή 10 λεπτά . Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, ο συντελεστής θερμικής αντίστασης αυτής της εξειδικευμένης συσκευής μετά από παλμό 10 δευτερολέπτων είναι περίπου 0,33, πράγμα που σημαίνει ότι όταν η συσκευασία φτάσει σε θερμικό κορεσμό μετά από περίπου 10 λεπτά, η ικανότητα απαγωγής θερμότητας της συσκευής είναι μόνο 1,33 W αντί για 4 W . Αν και η ικανότητα απαγωγής θερμότητας της συσκευής μπορεί να φτάσει περίπου τα 2W υπό καλή ψύξη.
Σχήμα 3 Θερμική αντίσταση του MOSFET όταν εφαρμόζεται παλμός ισχύος
Στην πραγματικότητα, μπορούμε να χωρίσουμε τον τρόπο επιλογής του MOSFET σε τέσσερα βήματα.
Το πρώτο βήμα: επιλέξτε N κανάλι ή P κανάλι
Το πρώτο βήμα για την επιλογή της σωστής συσκευής για το σχέδιό σας είναι να αποφασίσετε εάν θα χρησιμοποιήσετε MOSFET καναλιού N ή καναλιού P. Σε μια τυπική εφαρμογή ισχύος, όταν ένα MOSFET είναι συνδεδεμένο στη γείωση και το φορτίο είναι συνδεδεμένο με την τάση δικτύου, το MOSFET σχηματίζει τον διακόπτη χαμηλής πλευράς. Στον διακόπτη χαμηλής πλευράς, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται MOSFET N καναλιών λόγω της τάσης που απαιτείται για την απενεργοποίηση ή την ενεργοποίηση της συσκευής. Όταν το MOSFET είναι συνδεδεμένο στο δίαυλο και φορτώνεται στη γείωση, χρησιμοποιείται ένας διακόπτης υψηλής πλευράς. Τα MOSFET καναλιού P χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτήν την τοπολογία, γεγονός που οφείλεται επίσης σε ζητήματα κίνησης τάσης. Για να επιλέξετε τη σωστή συσκευή για την εφαρμογή σας, πρέπει να προσδιορίσετε την τάση που απαιτείται για την οδήγηση της συσκευής και τον ευκολότερο τρόπο να το κάνετε στο σχεδιασμό σας. Το επόμενο βήμα είναι να προσδιορίσετε την απαιτούμενη ονομαστική τάση ή τη μέγιστη τάση που μπορεί να αντέξει η συσκευή. Όσο υψηλότερη είναι η ονομαστική τάση, τόσο υψηλότερο είναι το κόστος της συσκευής. Σύμφωνα με την πρακτική εμπειρία, η ονομαστική τάση πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση του δικτύου ή την τάση του διαύλου. Αυτό θα παρέχει επαρκή προστασία έτσι ώστε το MOSFET να μην αποτύχει. Κατά την επιλογή ενός MOSFET, είναι απαραίτητο να προσδιορίσετε τη μέγιστη τάση που μπορεί να ανεχθεί από την αποστράγγιση στην πηγή, δηλαδή τη μέγιστη VDS. Είναι σημαντικό να γνωρίζετε ότι η μέγιστη τάση ενός MOSFET μπορεί να αντέξει τις αλλαγές με τη θερμοκρασία. Οι σχεδιαστές πρέπει να δοκιμάσουν τις διακυμάνσεις της τάσης σε όλο το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Η ονομαστική τάση πρέπει να έχει αρκετό περιθώριο για να καλύψει αυτό το εύρος διακύμανσης για να διασφαλιστεί ότι το κύκλωμα δεν θα αποτύχει. Άλλοι παράγοντες ασφάλειας που πρέπει να λάβουν υπόψη οι μηχανικοί σχεδιασμού περιλαμβάνουν μεταβατικές τάσεις που προκαλούνται από τη μεταγωγή ηλεκτρονικών ειδών, όπως κινητήρες ή μετασχηματιστές. Οι ονομαστικές τάσεις ποικίλλουν για διαφορετικές εφαρμογές. τυπικά, 20V για φορητές συσκευές, 20-30V για τροφοδοτικά FPGA και 450-600V για εφαρμογές 85-220VAC.
Βήμα 2: Προσδιορίστε το ονομαστικό ρεύμα
Το δεύτερο βήμα είναι να επιλέξετε την τρέχουσα βαθμολογία του MOSFET. Ανάλογα με τη διαμόρφωση του κυκλώματος, αυτό το ονομαστικό ρεύμα θα πρέπει να είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να αντέξει το φορτίο σε όλες τις συνθήκες. Παρόμοια με την κατάσταση της τάσης, ο σχεδιαστής πρέπει να διασφαλίσει ότι το επιλεγμένο MOSFET μπορεί να αντέξει αυτήν την ονομαστική τιμή ρεύματος, ακόμη και όταν το σύστημα δημιουργεί αιχμές ρεύματος. Οι δύο τρέχουσες συνθήκες που εξετάζονται είναι η συνεχής λειτουργία και η ακίδα παλμού. Στη λειτουργία συνεχούς αγωγιμότητας, το MOSFET βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση, όπου το ρεύμα ρέει συνεχώς μέσω της συσκευής. Η ακίδα παλμού αναφέρεται σε ένα μεγάλο κύμα (ή ρεύμα αιχμής) που ρέει μέσω της συσκευής. Μόλις καθοριστεί το μέγιστο ρεύμα υπό αυτές τις συνθήκες, είναι απλώς θέμα επιλογής μιας συσκευής που μπορεί να χειριστεί αυτό το μέγιστο ρεύμα. Αφού επιλέξετε το ονομαστικό ρεύμα, πρέπει επίσης να υπολογιστεί η απώλεια αγωγιμότητας. Σε πραγματικές καταστάσεις, το MOSFET δεν είναι ιδανική συσκευή επειδή υπάρχει απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διαδικασία αγωγής, η οποία ονομάζεται απώλεια αγωγιμότητας. Ένα MOSFET συμπεριφέρεται σαν μεταβλητή αντίσταση όταν είναι "ενεργό", το οποίο καθορίζεται από το RDS(ON) της συσκευής και αλλάζει σημαντικά με τη θερμοκρασία. Η απώλεια ισχύος της συσκευής μπορεί να υπολογιστεί με Iload2×RDS(ON). Εφόσον η αντίσταση on-resistance αλλάζει με τη θερμοκρασία, η απώλεια ισχύος θα αλλάξει επίσης αναλογικά. Όσο υψηλότερη είναι η τάση VGS που εφαρμόζεται στο MOSFET, τόσο μικρότερο θα είναι το RDS(ON). αντίστροφα, τόσο υψηλότερο θα είναι το RDS(ON). Για τον σχεδιαστή του συστήματος, εδώ εμφανίζονται οι συμβιβασμούς ανάλογα με την τάση του συστήματος. Για φορητά σχέδια, είναι ευκολότερο (και πιο συνηθισμένο) να χρησιμοποιούνται χαμηλότερες τάσεις, ενώ για βιομηχανικά σχέδια, υψηλότερες τάσεις. Σημειώστε ότι η αντίσταση RDS(ON) θα αυξηθεί ελαφρώς με το ρεύμα. Παραλλαγές σε διάφορες ηλεκτρικές παραμέτρους της αντίστασης RDS(ON) μπορείτε να βρείτε στο φύλλο τεχνικών δεδομένων που παρέχεται από τον κατασκευαστή. Η τεχνολογία έχει σημαντικό αντίκτυπο στα χαρακτηριστικά της συσκευής, επειδή ορισμένες τεχνολογίες τείνουν να αυξάνουν το RDS(ON) όταν αυξάνουν το μέγιστο VDS. Για μια τέτοια τεχνολογία, εάν σκοπεύετε να μειώσετε τα VDS και RDS(ON), πρέπει να αυξήσετε το μέγεθος του chip, αυξάνοντας έτσι το αντίστοιχο μέγεθος πακέτου και το σχετικό κόστος ανάπτυξης. Υπάρχουν αρκετές τεχνολογίες στον κλάδο που προσπαθούν να ελέγξουν την αύξηση του μεγέθους του τσιπ, οι σημαντικότερες από τις οποίες είναι οι τεχνολογίες εξισορρόπησης καναλιών και φόρτισης. Στην τεχνολογία τάφρων, μια βαθιά τάφρο είναι ενσωματωμένη στη γκοφρέτα, που συνήθως προορίζεται για χαμηλές τάσεις, για τη μείωση της αντίστασης RDS(ON). Προκειμένου να μειωθεί ο αντίκτυπος του μέγιστου VDS στο RDS(ON), χρησιμοποιήθηκε μια διαδικασία επιταξιακής στήλης ανάπτυξης/στήλης χάραξης κατά τη διαδικασία ανάπτυξης. Για παράδειγμα, η Fairchild Semiconductor έχει αναπτύξει μια τεχνολογία που ονομάζεται SuperFET που προσθέτει πρόσθετα βήματα κατασκευής για μείωση RDS(ON). Αυτή η εστίαση στο RDS(ON) είναι σημαντική γιατί καθώς αυξάνεται η τάση διάσπασης ενός τυπικού MOSFET, το RDS(ON) αυξάνεται εκθετικά και οδηγεί σε αύξηση του μεγέθους της μήτρας. Η διαδικασία SuperFET αλλάζει την εκθετική σχέση μεταξύ RDS(ON) και μεγέθους πλακιδίων σε γραμμική σχέση. Με αυτόν τον τρόπο, οι συσκευές SuperFET μπορούν να επιτύχουν ιδανικά χαμηλό RDS(ON) σε μικρά μεγέθη καλουπιών, ακόμη και με τάσεις διακοπής έως και 600V. Το αποτέλεσμα είναι ότι το μέγεθος της γκοφρέτας μπορεί να μειωθεί έως και 35%. Για τους τελικούς χρήστες, αυτό σημαίνει σημαντική μείωση του μεγέθους της συσκευασίας.
Βήμα τρίτο: Προσδιορίστε τις θερμικές απαιτήσεις
Το επόμενο βήμα για την επιλογή ενός MOSFET είναι ο υπολογισμός των θερμικών απαιτήσεων του συστήματος. Οι σχεδιαστές πρέπει να εξετάσουν δύο διαφορετικά σενάρια, το χειρότερο σενάριο και το σενάριο του πραγματικού κόσμου. Συνιστάται η χρήση του αποτελέσματος υπολογισμού στη χειρότερη περίπτωση, επειδή αυτό το αποτέλεσμα παρέχει μεγαλύτερο περιθώριο ασφαλείας και διασφαλίζει ότι το σύστημα δεν θα αποτύχει. Υπάρχουν επίσης ορισμένα δεδομένα μέτρησης που χρειάζονται προσοχή στο φύλλο δεδομένων MOSFET. όπως η θερμική αντίσταση μεταξύ της ένωσης ημιαγωγών της συσκευασμένης συσκευής και του περιβάλλοντος, και η μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης. Η θερμοκρασία διακλάδωσης της συσκευής είναι ίση με τη μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος συν το γινόμενο της θερμικής αντίστασης και της απαγωγής ισχύος (θερμοκρασία σύνδεσης = μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος + [θερμική αντίσταση × απαγωγή ισχύος]). Σύμφωνα με αυτή την εξίσωση, μπορεί να λυθεί η μέγιστη διασπορά ισχύος του συστήματος, η οποία είναι εξ ορισμού ίση με I2×RDS(ON). Δεδομένου ότι ο σχεδιαστής έχει καθορίσει το μέγιστο ρεύμα που θα περάσει από τη συσκευή, το RDS(ON) μπορεί να υπολογιστεί σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αξίζει να σημειωθεί ότι όταν ασχολούνται με απλά θερμικά μοντέλα, οι σχεδιαστές πρέπει επίσης να λάβουν υπόψη τη θερμική ικανότητα της διασταύρωσης ημιαγωγών/θήκης της συσκευής και της θήκης/περιβάλλοντος. Αυτό απαιτεί να μην θερμαίνονται αμέσως η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος και η συσκευασία. Η διάσπαση χιονοστιβάδας σημαίνει ότι η αντίστροφη τάση στη συσκευή ημιαγωγών υπερβαίνει τη μέγιστη τιμή και σχηματίζει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο για να αυξήσει το ρεύμα στη συσκευή. Αυτό το ρεύμα θα διασκορπίσει την ισχύ, θα αυξήσει τη θερμοκρασία της συσκευής και πιθανώς θα καταστρέψει τη συσκευή. Οι εταιρείες ημιαγωγών θα πραγματοποιήσουν δοκιμές χιονοστιβάδας σε συσκευές, θα υπολογίσουν την τάση χιονοστιβάδας τους ή θα δοκιμάσουν την ευρωστία της συσκευής. Υπάρχουν δύο μέθοδοι για τον υπολογισμό της ονομαστικής τάσης χιονοστιβάδας. η μία είναι στατιστική μέθοδος και η άλλη είναι ο θερμικός υπολογισμός. Ο θερμικός υπολογισμός χρησιμοποιείται ευρέως επειδή είναι πιο πρακτικός. Πολλές εταιρείες έχουν παράσχει λεπτομέρειες για τη δοκιμή της συσκευής τους. Για παράδειγμα, το Fairchild Semiconductor παρέχει "Οδηγίες για το Power MOSFET Avalanche" (Οδηγίες για το Power MOSFET Avalanche-μπορείτε να το κατεβάσετε από τον ιστότοπο του Fairchild). Εκτός από τους υπολογιστές, η τεχνολογία έχει επίσης μεγάλη επιρροή στο φαινόμενο της χιονοστιβάδας. Για παράδειγμα, μια αύξηση στο μέγεθος της μήτρας αυξάνει την αντίσταση στη χιονοστιβάδα και τελικά αυξάνει την ευρωστία της συσκευής. Για τους τελικούς χρήστες, αυτό σημαίνει τη χρήση μεγαλύτερων πακέτων στο σύστημα.
Βήμα 4: Προσδιορίστε την απόδοση του διακόπτη
Το τελευταίο βήμα για την επιλογή ενός MOSFET είναι ο προσδιορισμός της απόδοσης μεταγωγής του MOSFET. Υπάρχουν πολλές παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση μεταγωγής, αλλά οι πιο σημαντικές είναι η πύλη/αποχέτευση, η πύλη/πηγή και η χωρητικότητα αποστράγγισης/πηγής. Αυτοί οι πυκνωτές δημιουργούν απώλειες μεταγωγής στη συσκευή επειδή φορτίζονται κάθε φορά που αλλάζουν. Συνεπώς, η ταχύτητα μεταγωγής του MOSFET μειώνεται και η απόδοση της συσκευής μειώνεται επίσης. Για να υπολογίσει τις συνολικές απώλειες σε μια συσκευή κατά την ενεργοποίηση, ο σχεδιαστής πρέπει να υπολογίσει τις απώλειες κατά την ενεργοποίηση (Eon) και τις απώλειες κατά την απενεργοποίηση (Eoff). Η συνολική ισχύς του διακόπτη MOSFET μπορεί να εκφραστεί με την ακόλουθη εξίσωση: Psw=(Eon+Eoff)×συχνότητα μεταγωγής. Η φόρτιση πύλης (Qgd) έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην απόδοση μεταγωγής. Με βάση τη σημασία της απόδοσης μεταγωγής, νέες τεχνολογίες αναπτύσσονται συνεχώς για την επίλυση αυτού του προβλήματος μεταγωγής. Η αύξηση του μεγέθους του τσιπ αυξάνει τη φόρτιση της πύλης. Αυτό αυξάνει το μέγεθος της συσκευής. Προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες μεταγωγής, έχουν εμφανιστεί νέες τεχνολογίες όπως η οξείδωση με πάχος πυθμένα καναλιού, με στόχο τη μείωση της φόρτισης της πύλης. Για παράδειγμα, η νέα τεχνολογία SuperFET μπορεί να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες αγωγιμότητας και να βελτιώσει την απόδοση μεταγωγής μειώνοντας το RDS(ON) και το φορτίο πύλης (Qg). Με αυτόν τον τρόπο, τα MOSFET μπορούν να αντιμετωπίσουν μεταβατικά ρεύματα υψηλής ταχύτητας (dv/dt) και μεταβατικά ρεύματα (di/dt) κατά τη μεταγωγή και μπορούν ακόμη και να λειτουργούν αξιόπιστα σε υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-23-2023
