Dispozitivele semiconductoare de putere sunt utilizate pe scară largă în industrie, consum, militar și alte domenii și au o poziție strategică înaltă. Să aruncăm o privire la imaginea de ansamblu a dispozitivelor de alimentare dintr-o imagine:
Dispozitivele semiconductoare de putere pot fi împărțite în tip complet, tip semi-controlat și tip necontrolabil în funcție de gradul de control al semnalelor de circuit. Sau, în funcție de proprietățile semnalului circuitului de comandă, acesta poate fi împărțit în tip de tensiune, tip de curent etc.
| Clasificare | tip | Dispozitive semiconductoare de putere specifice |
| Controlabilitatea semnalelor electrice | Tip semicontrolat | SCR |
| Control total | GTO、GTR，MOSFET、IGBT | |
| Incontrolabil | Dioda de putere | |
| Proprietățile semnalului de conducere | Tip acţionat de tensiune | IGBT, MOSFET, SITH |
| Tip acţionat în curent | SCR, GTO, GTR | |
| Forma de undă eficientă a semnalului | Tip de declanșare cu puls | SCR, GTO |
| Tip control electronic | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situații în care participă electronii purtători de curent | dispozitiv bipolar | Diodă de putere, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Dispozitiv unipolar | MOSFET, STĂȚI | |
| Dispozitiv compozit | MCT, IGBT, SITH și IGCT |
Dispozitivele semiconductoare de putere diferite au caracteristici diferite, cum ar fi tensiunea, capacitatea de curent, capacitatea de impedanță și dimensiunea. În utilizarea efectivă, dispozitivele adecvate trebuie selectate în funcție de diferite domenii și nevoi.
Industria semiconductoarelor a trecut prin trei generații de schimbări materiale de la naștere. Până în prezent, primul material semiconductor reprezentat de Si este încă utilizat în principal în domeniul dispozitivelor semiconductoare de putere.
| Material semiconductor | Bandgap (eV) | Punct de topire (K) | aplicația principală | |
| Materiale semiconductoare de prima generație | Ge | 1.1 | 1221 | Tranzistori de joasă tensiune, frecvență joasă, putere medie, fotodetectoare |
| Materiale semiconductoare de a doua generație | Si | 0,7 | 1687 | |
| Materiale semiconductoare de a 3-a generație | GaAs | 1.4 | 1511 | Dispozitive cu microunde, unde milimetrice, dispozitive emițătoare de lumină |
| Sic | 3.05 | 2826 | 1. Dispozitive de mare putere, rezistente la radiații, de înaltă frecvență și temperatură 2. Diode emițătoare de lumină albastre, grad, violet, lasere semiconductoare | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | >3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Rezumați caracteristicile dispozitivelor de putere semicontrolate și complet controlate:
| Tipul dispozitivului | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Tip control | Declanșare puls | Controlul curentului | controlul tensiunii | centru de film |
| linie de auto-închidere | Închiderea comutației | dispozitiv de auto-oprire | dispozitiv de auto-oprire | dispozitiv de auto-oprire |
| frecventa de lucru | sub 1 kHz | < 30 kHz | 20 kHz-Mhz | <40 kHz |
| Puterea de conducere | mic | mare | mic | mic |
| pierderi de comutare | mare | mare | mare | mare |
| pierderea conducerii | mic | mic | mare | mic |
| Nivel de tensiune și curent | 最大 | mare | minim | Mai mult |
| Aplicații tipice | Încălzire prin inducție cu frecvență medie | Convertor de frecvență UPS | comutare de alimentare | Convertor de frecvență UPS |
| preţ | cel mai jos | mai jos | În mijloc | Cel mai scump |
| efect de modulare a conductanței | au | au | nici unul | au |
Cunoașteți MOSFET-urile
MOSFET are impedanță mare de intrare, zgomot redus și stabilitate termică bună; are un proces de fabricație simplu și radiații puternice, deci este folosit de obicei în circuite amplificatoare sau circuite de comutare;
(1) Principalii parametri de selecție: tensiune de scurgere-sursă VDS (tensiune de rezistență), curent de scurgere continuă ID, rezistență la pornire RDS (pornit), capacitate de intrare Ciss (capacitate de joncțiune), factor de calitate FOM=Ron*Qg etc.
(2) Conform diferitelor procese, este împărțit în TrenchMOS: trench MOSFET, în principal în câmpul de joasă tensiune în 100V; SGT (Split Gate) MOSFET: MOSFET cu poartă divizată, în principal în domeniul de medie și joasă tensiune în 200V; SJ MOSFET: MOSFET super joncțiune, în principal în câmpul de înaltă tensiune 600-800V;
Într-o sursă de alimentare cu comutație, cum ar fi un circuit de scurgere deschisă, drenul este conectat la sarcină intactă, care se numește dren deschis. Într-un circuit cu drenaj deschis, indiferent de cât de mare este tensiunea conectată sarcina, curentul de sarcină poate fi pornit și oprit. Este un dispozitiv de comutare analogic ideal. Acesta este principiul MOSFET ca dispozitiv de comutare.
În ceea ce privește cota de piață, MOSFET-urile sunt aproape toate concentrate în mâinile marilor producători internaționali. Printre aceștia, Infineon a achiziționat IR (American International Rectifier Company) în 2015 și a devenit lider în industrie. ON Semiconductor a finalizat și achiziția Fairchild Semiconductor în septembrie 2016. , cota de piață a sărit pe locul doi, iar apoi clasamentele de vânzări au fost Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna etc.;
Brandurile MOSFET mainstream sunt împărțite în mai multe serii: americane, japoneze și coreene.
Serii americane: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS etc.;
Japoneză: Toshiba, Renesas, ROHM etc.;
Serii coreene: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Categoriile de pachete MOSFET
În funcție de modul în care este instalat pe placa PCB, există două tipuri principale de pachete MOSFET: plug-in (Through Hole) și suprafață (Surface Mount).
Tipul plug-in înseamnă că pinii MOSFET trec prin găurile de montare ale plăcii PCB și sunt sudați pe placa PCB. Pachetele de plug-in obișnuite includ: pachet dual în linie (DIP), pachet de contur tranzistor (TO) și pachet de matrice grilă de pini (PGA).
Ambalaj plug-in
Montarea la suprafață este locul în care pinii MOSFET și flanșa de disipare a căldurii sunt sudate pe plăcuțele de pe suprafața plăcii PCB. Pachetele tipice de montare pe suprafață includ: contur tranzistor (D-PAK), tranzistor cu contur mic (SOT), pachet cu contur mic (SOP), pachet plat quad (QFP), suport pentru cip cu plumb din plastic (PLCC) etc.
pachet de montare la suprafață
Odată cu dezvoltarea tehnologiei, plăcile PCB, cum ar fi plăcile de bază și plăcile grafice, folosesc în prezent din ce în ce mai puține ambalaje de tip plug-in direct și sunt folosite mai multe ambalaje pentru montare pe suprafață.
1. Pachet dublu în linie (DIP)
Pachetul DIP are două rânduri de pini și trebuie introdus într-un soclu pentru cip cu o structură DIP. Metoda sa de derivare este SDIP (Shrink DIP), care este un pachet shrink double-in-line. Densitatea pinului este de 6 ori mai mare decât cea a DIP.
Formele de structură de ambalare DIP includ: ceramică multistrat dual-in-line DIP, ceramică cu un singur strat dual-in-line DIP, cadru de plumb DIP (inclusiv tipul de etanșare vitro-ceramică, tipul de structură de încapsulare din plastic, încapsularea din sticlă ceramică cu topire scăzută tip) etc. Caracteristica ambalajului DIP este că poate realiza cu ușurință sudarea prin orificiu prin orificiu a plăcilor PCB și are o bună compatibilitate cu placa de bază.
Cu toate acestea, deoarece suprafața și grosimea sa de ambalare sunt relativ mari, iar știfturile sunt ușor deteriorate în timpul procesului de conectare și deconectare, fiabilitatea este slabă. În același timp, datorită influenței procesului, numărul de pini, în general, nu depășește 100. Prin urmare, în procesul de integrare ridicată a industriei electronice, ambalajul DIP s-a retras treptat din stadiul istoriei.
2. Pachetul contur tranzistorului (TO)
Specificațiile de ambalare timpurii, cum ar fi TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 etc. sunt toate modele de ambalare plug-in.
TO-3P/247: Este o formă de ambalare utilizată în mod obișnuit pentru MOSFET-uri de tensiune medie-înaltă și curent ridicat. Produsul are caracteristicile unei tensiuni de rezistență ridicate și rezistență puternică la defalcare.
TO-220/220F: TO-220F este un pachet complet din plastic și nu este nevoie să adăugați un tampon izolator atunci când îl instalați pe un calorifer; TO-220 are o foaie de metal conectată la știftul din mijloc, iar la instalarea caloriferului este necesară un tampon izolator. MOSFET-urile acestor două stiluri de pachete au aspect similar și pot fi folosite interschimbabil.
TO-251: Acest produs ambalat este utilizat în principal pentru a reduce costurile și a reduce dimensiunea produsului. Este utilizat în principal în medii cu tensiune medie și curent ridicat sub 60A și tensiune înaltă sub 7N.
TO-92: Acest pachet este utilizat numai pentru MOSFET de joasă tensiune (curent sub 10A, tensiune de rezistență sub 60V) și de înaltă tensiune 1N60/65, pentru a reduce costurile.
În ultimii ani, din cauza costului ridicat de sudare al procesului de ambalare plug-in și a performanței inferioare de disipare a căldurii la produsele de tip patch-uri, cererea pe piața de montare la suprafață a continuat să crească, ceea ce a condus și la dezvoltarea ambalajelor TO. în ambalajul montat la suprafață.
TO-252 (numit și D-PAK) și TO-263 (D2PAK) sunt ambele pachete de montare la suprafață.。
A împacheta aspectul produsului
TO252/D-PAK este un pachet de cip din plastic, care este utilizat în mod obișnuit pentru ambalarea tranzistoarelor de putere și cipurilor de stabilizare a tensiunii. Este unul dintre pachetele curente principale. MOSFET-ul care utilizează această metodă de ambalare are trei electrozi, poartă (G), drenaj (D) și sursă (S). Ştiftul de scurgere (D) este tăiat şi nu este utilizat. În schimb, radiatorul de pe spate este folosit ca scurgere (D), care este sudat direct pe PCB. Pe de o parte, este folosit pentru a scoate curenți mari și, pe de altă parte, disipează căldura prin PCB. Prin urmare, există trei plăcuțe D-PAK pe PCB, iar tamponul de scurgere (D) este mai mare. Specificațiile sale de ambalare sunt următoarele:
Specificații privind dimensiunea pachetului TO-252/D-PAK
TO-263 este o variantă a TO-220. Este conceput în principal pentru a îmbunătăți eficiența producției și disiparea căldurii. Suporta curent și tensiune extrem de ridicate. Este mai frecvent în cazul MOSFET-urilor de curent înalt de medie tensiune sub 150A și peste 30V. În plus față de D2PAK (TO-263AB), include și TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 și alte stiluri, care sunt subordonate TO-263, în principal datorită numărului și distanței diferite de pini. .
Specificația dimensiunii pachetului TO-263/D2PAKs
3. Pin grid array package (PGA)
Există mai mulți pini de matrice pătrată în interiorul și în afara cipului PGA (Pin Grid Array Package). Fiecare pin de matrice pătrată este aranjat la o anumită distanță în jurul cipului. În funcție de numărul de ace, acesta poate fi format în 2 până la 5 cercuri. În timpul instalării, introduceți pur și simplu cipul în mufa specială PGA. Are avantajele unei conectări și deconectare ușoare și o fiabilitate ridicată și se poate adapta la frecvențe mai mari.
Stil pachet PGA
Cele mai multe dintre substraturile sale de cip sunt realizate din material ceramic, iar unele folosesc rășină plastică specială ca substrat. În ceea ce privește tehnologia, distanța dintre centrele pini este de obicei de 2,54 mm, iar numărul de pini variază de la 64 la 447. Caracteristica acestui tip de ambalaj este că, cu cât suprafața (volumul) de ambalare este mai mică, cu atât consumul de energie (performanță) este mai mic. ) poate rezista și invers. Acest stil de ambalare a cipurilor a fost mai comun în primele zile și a fost folosit mai ales pentru ambalarea produselor cu consum mare de energie, cum ar fi procesoarele. De exemplu, Intel 80486 și Pentium folosesc toate acest stil de ambalare; nu este adoptat pe scară largă de producătorii MOSFET.
4. Pachetul tranzistor de contur mic (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) este un pachet de tranzistori de putere mică de tip patch, care include în principal SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (adică SOT23-5), etc. SOT323, SOT363/SOT26 (adică SOT23-6) și alte tipuri sunt derivate, care au dimensiuni mai mici decât pachetele TO.
Tip pachet SOT
SOT23 este un pachet de tranzistori folosit în mod obișnuit, cu trei pini în formă de aripă, și anume colector, emițător și bază, care sunt enumerate pe ambele părți ale părții lungi a componentei. Printre acestea, emițătorul și baza sunt pe aceeași parte. Sunt comune în tranzistoarele de putere redusă, tranzistoarele cu efect de câmp și tranzistoarele compozite cu rețele de rezistențe. Au o rezistență bună, dar o lipire slabă. Aspectul este prezentat în figura (a) de mai jos.
SOT89 are trei pini scurti distribuiți pe o parte a tranzistorului. Cealaltă parte este un radiator metalic conectat la bază pentru a crește capacitatea de disipare a căldurii. Este obișnuit în tranzistoarele cu montare la suprafață de putere cu siliciu și este potrivit pentru aplicații cu putere mai mare. Aspectul este prezentat în figura (b) de mai jos.
SOT143 are patru știfturi scurte în formă de aripă, care sunt scoase din ambele părți. Capătul mai larg al știftului este colectorul. Acest tip de pachet este comun la tranzistoarele de înaltă frecvență, iar aspectul său este prezentat în figura (c) de mai jos.
SOT252 este un tranzistor de mare putere cu trei pini care conduc dintr-o parte, iar pinul din mijloc este mai scurt și este colectorul. Conectați-vă la pinul mai mare de la celălalt capăt, care este o foaie de cupru pentru disiparea căldurii, iar aspectul său este așa cum se arată în figura (d) de mai jos.
Comparație comună a aspectului pachetului SOT
MOSFET-ul SOT-89 cu patru terminale este utilizat în mod obișnuit pe plăcile de bază. Specificațiile și dimensiunile sale sunt următoarele:
Specificații de dimensiune SOT-89 MOSFET (unitate: mm)
5. Small Outline Package (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) este unul dintre pachetele de montare la suprafață, numit și SOL sau DFP. Știfturile sunt scoase de pe ambele părți ale pachetului în formă de aripă de pescăruș (forma L). Materialele sunt plastice și ceramice. Standardele de ambalare SOP includ SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 etc. Numărul de după SOP indică numărul de pini. Majoritatea pachetelor MOSFET SOP adoptă specificațiile SOP-8. Industria omite adesea „P” și îl abrevierează ca SO (Small Out-Line).
Dimensiunea pachetului SOP-8
SO-8 a fost dezvoltat pentru prima dată de compania PHILIP. Este ambalat în plastic, nu are o placă inferioară cu disipare a căldurii și are o disipare slabă a căldurii. Este utilizat în general pentru MOSFET-uri de putere redusă. Mai târziu, specificațiile standard precum TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), etc. au fost derivate treptat; printre acestea, TSOP și TSSOP sunt utilizate în mod obișnuit în ambalajele MOSFET.
Specificații derivate din SOP utilizate în mod obișnuit pentru MOSFET-uri
6. Pachetul Quad Flat (QFP)
Distanța dintre știfturile cipurilor din pachetul QFP (Plastic Quad Flat Package) este foarte mică, iar știfturile sunt foarte subțiri. Este utilizat în general în circuite integrate la scară mare sau ultra-mari, iar numărul de pini este în general mai mare de 100. Cipurile ambalate în această formă trebuie să folosească tehnologia de montare pe suprafață SMT pentru a lipi cipul pe placa de bază. Această metodă de ambalare are patru caracteristici majore: ① Este potrivită pentru tehnologia de montare pe suprafață SMD pentru a instala cablarea pe plăcile de circuite PCB; ② Este potrivit pentru utilizarea de înaltă frecvență; ③ Este ușor de operat și are fiabilitate ridicată; ④ Raportul dintre suprafața de cip și zona de ambalare este mic. La fel ca metoda de ambalare PGA, această metodă de ambalare învelește cipul într-un pachet de plastic și nu poate disipa căldura generată atunci când cipul funcționează în timp util. Limitează îmbunătățirea performanței MOSFET; iar ambalajul din plastic în sine mărește dimensiunea dispozitivului, care nu îndeplinește cerințele pentru dezvoltarea semiconductorilor în direcția de a fi ușor, subțire, scurt și mic. În plus, acest tip de metodă de ambalare se bazează pe un singur cip, care are probleme de eficiență scăzută a producției și cost de ambalare ridicat. Prin urmare, QFP este mai potrivit pentru utilizarea în circuitele LSI logice digitale, cum ar fi microprocesoare/matrice de porți, și este, de asemenea, potrivit pentru ambalarea produselor de circuite LSI analogice, cum ar fi procesarea semnalului VTR și procesarea semnalului audio.
7, pachet quad plat fără cabluri (QFN)
Pachetul QFN (Pachetul Quad Flat fără plumb) este echipat cu contacte cu electrozi pe toate cele patru laturi. Deoarece nu există cabluri, zona de montare este mai mică decât QFP și înălțimea este mai mică decât QFP. Printre acestea, ceramica QFN este numită și LCC (Leadless Chip Carriers), iar plasticul QFN cu costuri reduse care utilizează materialul de bază pentru substrat imprimat cu rășină epoxidice din sticlă se numește plastic LCC, PCLC, P-LCC, etc. Este un ambalaj emergent de cip cu montare la suprafață. tehnologie cu dimensiuni mici ale tamponului, volum mic și plastic ca material de etanșare. QFN este utilizat în principal pentru ambalarea circuitelor integrate, iar MOSFET nu va fi utilizat. Cu toate acestea, deoarece Intel a propus un driver integrat și o soluție MOSFET, a lansat DrMOS într-un pachet QFN-56 ("56" se referă la cei 56 de pini de conexiune de pe spatele cipului).
Trebuie remarcat faptul că pachetul QFN are aceeași configurație externă de plumb ca și pachetul ultra-subțire cu contur mic (TSSOP), dar dimensiunea sa este cu 62% mai mică decât TSSOP. Conform datelor de modelare QFN, performanța sa termică este cu 55% mai mare decât cea a ambalajului TSSOP, iar performanța sa electrică (inductanța și capacitatea) sunt cu 60% și, respectiv, 30% mai mari decât ambalajul TSSOP. Cel mai mare dezavantaj este că este dificil de reparat.
DrMOS în pachetul QFN-56
Sursele de alimentare cu comutație discrete DC/DC tradiționale nu pot îndeplini cerințele pentru o densitate mai mare a puterii și nici nu pot rezolva problema efectelor parametrilor paraziți la frecvențe înalte de comutare. Odată cu inovația și progresul tehnologiei, a devenit o realitate integrarea driverelor și a MOSFET-urilor pentru a construi module cu mai multe cipuri. Această metodă de integrare poate economisi spațiu considerabil și poate crește densitatea consumului de energie. Prin optimizarea driverelor și a MOSFET-urilor, a devenit realitate. Eficiență energetică și curent DC de înaltă calitate, acesta este driverul integrat DrMOS.
DrMOS de a doua generație Renesas
Pachetul QFN-56 fără plumb face ca impedanța termică DrMOS să fie foarte scăzută; cu lipirea internă a firului și designul cu clemă de cupru, cablarea PCB externă poate fi redusă la minimum, reducând astfel inductanța și rezistența. În plus, procesul MOSFET de siliciu cu canal adânc utilizat poate reduce semnificativ pierderile de încărcare prin conducție, comutare și porți; este compatibil cu o varietate de controlere, poate realiza diferite moduri de operare și acceptă modul de conversie activă a fazei APS (Auto Phase Switching). Pe lângă ambalarea QFN, ambalajul plat bilateral fără plumb (DFN) este, de asemenea, un nou proces de ambalare electronică care a fost utilizat pe scară largă în diferite componente ale ON Semiconductor. În comparație cu QFN, DFN are mai puțini electrozi de ieșire pe ambele părți.
8, suport pentru așchii cu plumb din plastic (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) are o formă pătrată și este mult mai mic decât pachetul DIP. Are 32 de știfturi cu știfturi de jur împrejur. Știfturile sunt scoase din cele patru părți ale pachetului în formă de T. Este un produs din plastic. Distanța dintre centrele pini este de 1,27 mm, iar numărul de pini variază de la 18 la 84. Știfturile în formă de J nu se deformează ușor și sunt mai ușor de operat decât QFP, dar inspecția aspectului după sudare este mai dificilă. Ambalajul PLCC este potrivit pentru instalarea cablajului pe PCB folosind tehnologia de montare pe suprafață SMT. Are avantajele dimensiunilor mici și a fiabilității ridicate. Ambalarea PLCC este relativ comună și este utilizată în LSI logic, DLD (sau dispozitiv logic de program) și alte circuite. Această formă de ambalare este adesea folosită în BIOS-ul plăcii de bază, dar în prezent este mai puțin frecventă în MOSFET-uri.
Încapsulare și îmbunătățire pentru întreprinderile mainstream
Datorită tendinței de dezvoltare a tensiunii joase și a curentului ridicat în procesoare, MOSFET-urile trebuie să aibă un curent de ieșire mare, rezistență scăzută, generare scăzută de căldură, disipare rapidă a căldurii și dimensiuni reduse. Pe lângă îmbunătățirea tehnologiei și proceselor de producție a cipurilor, producătorii de MOSFET continuă să îmbunătățească tehnologia de ambalare. Pe baza compatibilității cu specificațiile standard de aspect, ei propun noi forme de ambalaj și înregistrează nume de mărci comerciale pentru noile pachete pe care le dezvoltă.
1, pachete RENESAS WPAK, LFPAK și LFPAK-I
WPAK este un pachet cu radiații termice ridicate dezvoltat de Renesas. Imitând pachetul D-PAK, radiatorul cu cip este sudat pe placa de bază, iar căldura este disipată prin placa de bază, astfel încât pachetul mic WPAK poate atinge și curentul de ieșire al lui D-PAK. WPAK-D2 include două MOSFET-uri înalte/scăzute pentru a reduce inductanța cablajului.
Dimensiunea pachetului Renesas WPAK
LFPAK și LFPAK-I sunt alte două pachete cu factor de formă mic dezvoltate de Renesas care sunt compatibile cu SO-8. LFPAK este similar cu D-PAK, dar mai mic decât D-PAK. LFPAK-i plasează radiatorul în sus pentru a disipa căldura prin radiator.
Pachetele Renesas LFPAK și LFPAK-I
2. Ambalaj Vishay Power-PAK și Polar-PAK
Power-PAK este numele pachetului MOSFET înregistrat de Vishay Corporation. Power-PAK include două specificații: Power-PAK1212-8 și Power-PAK SO-8.
Pachet Vishay Power-PAK1212-8
Pachetul Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK este un pachet mic cu disipare a căldurii pe două fețe și este una dintre tehnologiile de ambalare de bază ale Vishay. Polar PAK este același cu pachetul obișnuit so-8. Are puncte de disipare atât pe partea superioară, cât și pe cea inferioară a pachetului. Nu este ușor să acumulați căldură în interiorul ambalajului și poate crește densitatea curentului de funcționare până la de două ori față de SO-8. În prezent, Vishay a licențiat tehnologia Polar PAK către STMicroelectronics.
Pachetul Vishay Polar PAK
3. Pachete plate de plumb Onsemi SO-8 și WDFN8
ON Semiconductor a dezvoltat două tipuri de MOSFET cu cablu plat, printre care cele cu cablu plat compatibile SO-8 sunt folosite de multe plăci. MOSFET-urile de putere NVMx și NVTx recent lansate de ON Semiconductor folosesc pachete compacte DFN5 (SO-8FL) și WDFN8 pentru a minimiza pierderile de conducție. De asemenea, are QG și capacitate scăzute pentru a minimiza pierderile de driver.
Pachet cu plumb plat ON Semiconductor SO-8
Pachetul ON Semiconductor WDFN8
4. Ambalare NXP LFPAK și QLPAK
NXP (fostă Philps) a îmbunătățit tehnologia de ambalare SO-8 în LFPAK și QLPAK. Printre acestea, LFPAK este considerat a fi cel mai fiabil pachet de putere SO-8 din lume; în timp ce QLPAK are caracteristicile dimensiunilor mici și eficienței mai mari de disipare a căldurii. În comparație cu SO-8 obișnuit, QLPAK ocupă o suprafață a plăcii PCB de 6*5mm și are o rezistență termică de 1,5k/W.
Pachetul NXP LFPAK
Ambalaj NXP QLPAK
4. Pachetul ST Semiconductor PowerSO-8
Tehnologiile de ambalare a cipurilor MOSFET de putere ale STMicroelectronics includ SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK etc. Printre acestea, Power SO-8 este o versiune îmbunătățită a SO-8. În plus, există pachete PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 și alte pachete.
Pachetul STMicroelectronics Power SO-8
5. Pachetul Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 este numele exclusiv al lui Farichild, iar numele său oficial este DFN5×6. Zona sa de ambalare este comparabilă cu cea a TSOP-8 utilizat în mod obișnuit, iar pachetul subțire economisește înălțimea de degajare a componentelor, iar designul Thermal-Pad din partea de jos reduce rezistența termică. Prin urmare, mulți producători de dispozitive de alimentare au implementat DFN5×6.
Pachetul Fairchild Power 56
6. Pachetul Direct FET International Rectifier (IR).
Direct FET oferă o răcire superioară eficientă într-o amprentă SO-8 sau mai mică și este potrivit pentru aplicațiile de conversie a puterii AC-DC și DC-DC în computere, laptopuri, telecomunicații și echipamente electronice de larg consum. Construcția cutiei metalice a DirectFET asigură disiparea căldurii pe două fețe, dublând efectiv capacitățile de manipulare curente ale convertoarelor DC-DC buck de înaltă frecvență în comparație cu pachetele discrete standard din plastic. Pachetul Direct FET este de tip montat invers, cu radiatorul de scurgere (D) orientat în sus și acoperit cu o carcasă metalică, prin care căldura este disipată. Ambalarea directă FET îmbunătățește foarte mult disiparea căldurii și ocupă mai puțin spațiu cu o bună disipare a căldurii.
Rezuma
În viitor, pe măsură ce industria de producție electronică continuă să se dezvolte în direcția ultra-subțirii, miniaturizării, tensiunii scăzute și curentului ridicat, aspectul și structura de ambalare internă a MOSFET se vor schimba, de asemenea, pentru a se adapta mai bine la nevoile de dezvoltare ale producției. industrie. În plus, pentru a scădea pragul de selecție pentru producătorii de electronice, tendința de dezvoltare a MOSFET în direcția modularizării și a ambalării la nivel de sistem va deveni din ce în ce mai evidentă, iar produsele se vor dezvolta într-o manieră coordonată din mai multe dimensiuni, cum ar fi performanța și costul. . Pachetul este unul dintre factorii de referință importanți pentru selecția MOSFET. Diferite produse electronice au cerințe electrice diferite, iar mediile de instalare diferite necesită, de asemenea, specificații de dimensiune potrivite pentru a le îndeplini. În selecția efectivă, decizia ar trebui luată în funcție de nevoile reale conform principiului general. Unele sisteme electronice sunt limitate de dimensiunea PCB-ului și de înălțimea internă. De exemplu, sursele de alimentare cu module ale sistemelor de comunicații folosesc de obicei pachetele DFN5*6 și DFN3*3 din cauza restricțiilor de înălțime; în unele surse de alimentare ACDC, modelele ultra-subțiri sau din cauza limitărilor de carcasă sunt potrivite pentru asamblarea MOSFET-urilor de putere TO220. În acest moment, știfturile pot fi introduse direct în rădăcină, ceea ce nu este potrivit pentru produsele ambalate TO247; unele modele ultra-subțiri necesită ca pinii dispozitivului să fie îndoiți și așezați plat, ceea ce va crește complexitatea selecției MOSFET.
Cum să alegi MOSFET
Un inginer mi-a spus odată că nu s-a uitat niciodată la prima pagină a unei fișe de date MOSFET, deoarece informațiile „practice” apăreau doar pe a doua pagină și mai departe. Practic, fiecare pagină dintr-o fișă de date MOSFET conține informații valoroase pentru designeri. Dar nu este întotdeauna clar cum să interpretăm datele furnizate de producători.
Acest articol prezintă câteva dintre specificațiile cheie ale MOSFET-urilor, modul în care sunt menționate pe fișa de date și imaginea clară de care aveți nevoie pentru a le înțelege. La fel ca majoritatea dispozitivelor electronice, MOSFET-urile sunt afectate de temperatura de funcționare. Deci este important să înțelegem condițiile de testare în care sunt aplicați indicatorii menționați. De asemenea, este esențial să înțelegeți dacă indicatorii pe care îi vedeți în „Introducerea produsului” sunt valori „maximum” sau „tipice”, deoarece unele fișe de date nu explică clar.
Gradul de tensiune
Caracteristica principală care determină un MOSFET este tensiunea sa de drenare-sursă VDS, sau „tensiunea de defalcare a sursei de scurgere”, care este cea mai mare tensiune pe care o poate rezista MOSFET-ul fără a se deteriora atunci când poarta este scurtcircuitată la sursă și curentul de scurgere. este 250μA. . VDS mai este numită și „tensiune maximă absolută la 25°C”, dar este important să ne amintim că această tensiune absolută depinde de temperatură și, de obicei, există un „coeficient de temperatură VDS” în fișa de date. De asemenea, trebuie să înțelegeți că VDS maxim este tensiunea DC plus orice vârfuri de tensiune și ondulații care pot fi prezente în circuit. De exemplu, dacă utilizați un dispozitiv de 30V pe o sursă de alimentare de 30V cu un vârf de 100mV, 5ns, tensiunea va depăși limita maximă absolută a dispozitivului și dispozitivul poate intra în modul avalanșă. În acest caz, fiabilitatea MOSFET nu poate fi garantată. La temperaturi ridicate, coeficientul de temperatură poate modifica semnificativ tensiunea de avarie. De exemplu, unele MOSFET-uri cu canal N cu o tensiune nominală de 600 V au un coeficient de temperatură pozitiv. Pe măsură ce se apropie de temperatura lor maximă de joncțiune, coeficientul de temperatură face ca aceste MOSFET-uri să se comporte ca MOSFET-uri de 650 V. Regulile de proiectare ale multor utilizatori MOSFET necesită un factor de reducere de la 10% până la 20%. În unele modele, având în vedere că tensiunea reală de avarie este cu 5% până la 10% mai mare decât valoarea nominală la 25°C, la proiectarea reală se va adăuga o marjă de proiectare utilă corespunzătoare, ceea ce este foarte benefic pentru proiectare. La fel de importantă pentru selecția corectă a MOSFET-urilor este înțelegerea rolului tensiunii poarta-sursă VGS în timpul procesului de conducere. Această tensiune este tensiunea care asigură conducerea completă a MOSFET-ului într-o anumită condiție maximă RDS(on). Acesta este motivul pentru care rezistența la pornire este întotdeauna legată de nivelul VGS și doar la această tensiune dispozitivul poate fi pornit. O consecință importantă a designului este că nu puteți porni complet MOSFET-ul cu o tensiune mai mică decât VGS minimă utilizată pentru a obține ratingul RDS(on). De exemplu, pentru a porni complet un MOSFET cu un microcontroler de 3,3 V, trebuie să puteți porni MOSFET-ul la VGS=2,5 V sau mai mic.
Rezistență, încărcare de poartă și „figura de merit”
Rezistența la pornire a unui MOSFET este întotdeauna determinată la una sau mai multe tensiuni de la poartă la sursă. Limita maximă RDS(on) poate fi cu 20% până la 50% mai mare decât valoarea tipică. Limita maximă a RDS(on) se referă de obicei la valoarea la o temperatură de joncțiune de 25°C. La temperaturi mai ridicate, RDS(on) poate crește cu 30% până la 150%, așa cum se arată în Figura 1. Deoarece RDS(on) se modifică odată cu temperatura și valoarea minimă a rezistenței nu poate fi garantată, detectarea curentului pe baza RDS(on) nu este o metodă foarte precisă.
Figura 1 RDS(on) crește cu temperatura în intervalul de la 30% la 150% din temperatura maximă de funcționare
Rezistența la pornire este foarte importantă atât pentru MOSFET-urile cu canal N, cât și pentru canalul P. În comutarea surselor de alimentare, Qg este un criteriu cheie de selecție pentru MOSFET-urile cu canale N utilizate în comutarea surselor de alimentare, deoarece Qg afectează pierderile prin comutare. Aceste pierderi au două efecte: unul este timpul de comutare care afectează pornirea și oprirea MOSFET-ului; celălalt este energia necesară pentru a încărca capacitatea porții în timpul fiecărui proces de comutare. Un lucru de reținut este că Qg depinde de tensiunea sursei de poartă, chiar dacă utilizarea unui Vgs mai mic reduce pierderile de comutare. Ca o modalitate rapidă de a compara MOSFET-urile destinate utilizării în aplicații de comutare, proiectanții folosesc adesea o formulă singulară constând din RDS(on) pentru pierderile de conducție și Qg pentru pierderile de comutare: RDS(on)xQg. Această „cifră de merit” (FOM) rezumă performanța dispozitivului și permite compararea MOSFET-urilor în termeni de valori tipice sau maxime. Pentru a asigura o comparație precisă între dispozitive, trebuie să vă asigurați că același VGS este utilizat pentru RDS(on) și Qg și că valorile tipice și maxime nu se întâmplă să fie amestecate împreună în publicație. FOM mai scăzut vă va oferi performanțe mai bune în comutarea aplicațiilor, dar nu este garantat. Cele mai bune rezultate de comparație pot fi obținute numai într-un circuit real și, în unele cazuri, poate fi necesar ca circuitul să fie reglat fin pentru fiecare MOSFET. Curentul nominal și disiparea puterii, pe baza diferitelor condiții de testare, majoritatea MOSFET-urilor au unul sau mai mulți curenți de scurgere continui în fișa de date. Veți dori să vă uitați la fișa de date cu atenție pentru a vă da seama dacă evaluarea este la temperatura specificată a carcasei (de exemplu TC=25°C) sau temperatura ambiantă (de exemplu, TA=25°C). Care dintre aceste valori este cea mai relevantă va depinde de caracteristicile dispozitivului și de aplicație (vezi Figura 2).
Figura 2 Toate valorile maxime absolute ale curentului și puterii sunt date reale
Pentru dispozitivele mici de suprafață utilizate în dispozitivele portabile, cel mai relevant nivel de curent poate fi cel la o temperatură ambientală de 70°C. Pentru echipamentele mari cu radiatoare și răcire forțată cu aer, nivelul curentului la TA=25℃ poate fi mai aproape de situația actuală. Pentru unele dispozitive, matrița poate gestiona mai mult curent la temperatura maximă a joncțiunii decât limitele pachetului. În unele fișe de date, acest nivel de curent „limitat de matriță” este informații suplimentare față de nivelul de curent „limitat de pachet”, care vă poate oferi o idee despre robustețea matriței. Considerații similare se aplică disipării continue a puterii, care depinde nu numai de temperatură, ci și de timp. Imaginați-vă un dispozitiv care funcționează continuu la PD=4W timp de 10 secunde la TA=70℃. Ceea ce constituie o perioadă de timp „continuă” va varia în funcție de pachetul MOSFET, așa că veți dori să utilizați graficul de impedanță tranzitorie termică normalizată din foaia de date pentru a vedea cum arată disiparea puterii după 10 secunde, 100 secunde sau 10 minute . După cum se arată în Figura 3, coeficientul de rezistență termică al acestui dispozitiv specializat după un impuls de 10 secunde este de aproximativ 0,33, ceea ce înseamnă că odată ce pachetul atinge saturația termică după aproximativ 10 minute, capacitatea dispozitivului de disipare a căldurii este de numai 1,33 W în loc de 4 W. . Deși capacitatea de disipare a căldurii a dispozitivului poate ajunge la aproximativ 2W în condiții de răcire bună.
Figura 3 Rezistența termică a MOSFET atunci când este aplicat impulsul de putere
De fapt, putem împărți modul de a alege MOSFET în patru pași.
Primul pas: alegeți canalul N sau canalul P
Primul pas în alegerea dispozitivului potrivit pentru designul dvs. este să decideți dacă să utilizați un MOSFET cu canal N sau canal P. Într-o aplicație tipică de alimentare, atunci când un MOSFET este conectat la masă și sarcina este conectată la tensiunea de rețea, MOSFET-ul formează comutatorul de jos. În comutatorul de jos, MOSFET-urile cu canal N ar trebui să fie utilizate din cauza tensiunii necesare pentru a opri sau a porni dispozitivul. Când MOSFET-ul este conectat la magistrală și se încarcă la masă, se folosește un comutator high-side. MOSFET-urile cu canal P sunt de obicei utilizate în această topologie, ceea ce se datorează și considerentelor de acționare a tensiunii. Pentru a selecta dispozitivul potrivit pentru aplicația dvs., trebuie să determinați tensiunea necesară pentru a conduce dispozitivul și cel mai simplu mod de a face acest lucru în proiectarea dvs. Următorul pas este determinarea tensiunii nominale necesare sau a tensiunii maxime pe care dispozitivul o poate suporta. Cu cât tensiunea nominală este mai mare, cu atât costul dispozitivului este mai mare. Conform experienței practice, tensiunea nominală ar trebui să fie mai mare decât tensiunea rețelei sau tensiunea magistralei. Acest lucru va oferi o protecție suficientă, astfel încât MOSFET-ul să nu se defecteze. La selectarea unui MOSFET, este necesar să se determine tensiunea maximă care poate fi tolerată de la scurgere la sursă, adică VDS maxim. Este important de știut că tensiunea maximă pe care un MOSFET poate rezista la schimbările de temperatură. Proiectanții trebuie să testeze variațiile de tensiune pe întregul interval de temperatură de funcționare. Tensiunea nominală trebuie să aibă o marjă suficientă pentru a acoperi acest interval de variație pentru a se asigura că circuitul nu se va defecta. Alți factori de siguranță pe care inginerii de proiectare trebuie să îi ia în considerare includ tranzitorii de tensiune induși de electronice de comutare, cum ar fi motoarele sau transformatoarele. Tensiunile nominale variază pentru diferite aplicații; de obicei, 20V pentru dispozitive portabile, 20-30V pentru surse de alimentare FPGA și 450-600V pentru aplicații 85-220VAC.
Pasul 2: Determinați curentul nominal
Al doilea pas este să alegeți evaluarea curentă a MOSFET-ului. În funcție de configurația circuitului, acest curent nominal ar trebui să fie curentul maxim pe care sarcina îl poate suporta în toate circumstanțele. Similar cu situația de tensiune, proiectantul trebuie să se asigure că MOSFET-ul selectat poate rezista acestui curent nominal, chiar și atunci când sistemul generează vârfuri de curent. Cele două condiții de curent luate în considerare sunt modul continuu și vârful impulsului. În modul de conducere continuă, MOSFET-ul este într-o stare constantă, în care curentul curge continuu prin dispozitiv. Un vârf de impuls se referă la o supratensiune mare (sau un curent de vârf) care curge prin dispozitiv. Odată determinat curentul maxim în aceste condiții, este pur și simplu o chestiune de selectare a unui dispozitiv care poate face față acestui curent maxim. După selectarea curentului nominal, trebuie calculată și pierderea prin conducție. În situații reale, MOSFET nu este un dispozitiv ideal, deoarece există pierderi de energie electrică în timpul procesului de conducere, care se numește pierdere de conducție. Un MOSFET se comportă ca un rezistor variabil atunci când este „pornit”, care este determinat de RDS(ON) al dispozitivului și se modifică semnificativ cu temperatura. Pierderea de putere a dispozitivului poate fi calculată prin Iload2×RDS(ON). Deoarece rezistența la pornire se modifică odată cu temperatura, pierderea de putere se va modifica proporțional. Cu cât tensiunea VGS aplicată MOSFET-ului este mai mare, cu atât RDS(ON) va fi mai mic; invers, cu cât RDS(ON) va fi mai mare. Pentru proiectantul de sistem, aici intervin compromisurile în funcție de tensiunea sistemului. Pentru modelele portabile, este mai ușor (și mai comun) să folosiți tensiuni mai mici, în timp ce pentru modelele industriale, pot fi utilizate tensiuni mai mari. Rețineți că rezistența RDS(ON) va crește ușor odată cu curentul. Variațiile diferiților parametri electrici ai rezistenței RDS(ON) pot fi găsite în fișa tehnică furnizată de producător. Tehnologia are un impact semnificativ asupra caracteristicilor dispozitivului, deoarece unele tehnologii tind să crească RDS(ON) atunci când cresc VDS maxim. Pentru o astfel de tehnologie, dacă intenționați să reduceți VDS și RDS(ON), trebuie să creșteți dimensiunea cipului, crescând astfel dimensiunea pachetului potrivit și costurile de dezvoltare aferente. Există mai multe tehnologii în industrie care încearcă să controleze creșterea dimensiunii cipului, dintre care cele mai importante sunt tehnologiile de echilibrare a canalelor și a încărcăturii. În tehnologia șanțului, un șanț adânc este încorporat în wafer, de obicei rezervat pentru tensiuni joase, pentru a reduce rezistența RDS(ON). Pentru a reduce impactul VDS maxim asupra RDS(ON), în timpul procesului de dezvoltare a fost utilizat un proces de coloană de creștere epitaxială/coloană de gravare. De exemplu, Fairchild Semiconductor a dezvoltat o tehnologie numită SuperFET care adaugă pași suplimentari de producție pentru reducerea RDS(ON). Această concentrare pe RDS(ON) este importantă deoarece, pe măsură ce tensiunea de defalcare a unui MOSFET standard crește, RDS(ON) crește exponențial și duce la o creștere a dimensiunii matriței. Procesul SuperFET schimbă relația exponențială dintre RDS(ON) și dimensiunea plachetei într-o relație liniară. În acest fel, dispozitivele SuperFET pot obține un RDS(ON) ideal scăzut la dimensiuni mici ale matrițelor, chiar și cu tensiuni de întrerupere de până la 600V. Rezultatul este că dimensiunea plachetei poate fi redusă cu până la 35%. Pentru utilizatorii finali, aceasta înseamnă o reducere semnificativă a dimensiunii pachetului.
Pasul trei: Determinați cerințele termice
Următorul pas în selectarea unui MOSFET este calcularea cerințelor termice ale sistemului. Designerii trebuie să ia în considerare două scenarii diferite, cel mai rău scenariu și scenariul din lumea reală. Se recomandă utilizarea rezultatului de calcul în cel mai rău caz, deoarece acest rezultat oferă o marjă de siguranță mai mare și asigură că sistemul nu va eșua. Există, de asemenea, unele date de măsurare care necesită atenție pe fișa de date MOSFET; cum ar fi rezistența termică dintre joncțiunea semiconductoare a dispozitivului ambalat și mediu și temperatura maximă a joncțiunii. Temperatura de joncțiune a dispozitivului este egală cu temperatura ambientală maximă plus produsul rezistenței termice și disiparea puterii (temperatura joncțiunii = temperatura ambientală maximă + [rezistența termică × puterea disipată]). Conform acestei ecuații, se poate rezolva puterea maximă disipată a sistemului, care este egală cu I2×RDS(ON) prin definiție. Deoarece proiectantul a determinat curentul maxim care va trece prin dispozitiv, RDS(ON) poate fi calculat la diferite temperaturi. Este de remarcat faptul că atunci când se ocupă de modele termice simple, proiectanții trebuie să ia în considerare și capacitatea termică a joncțiunii semiconductoare/carcasa dispozitivului și a carcasei/mediului; aceasta necesită ca placa de circuit imprimat și pachetul să nu se încălzească imediat. Defectarea avalanșă înseamnă că tensiunea inversă pe dispozitivul semiconductor depășește valoarea maximă și formează un câmp electric puternic pentru a crește curentul în dispozitiv. Acest curent va disipa puterea, va crește temperatura dispozitivului și, eventual, va deteriora dispozitivul. Companiile de semiconductori vor efectua teste de avalanșă pe dispozitive, vor calcula tensiunea de avalanșă sau vor testa robustețea dispozitivului. Există două metode pentru calcularea tensiunii nominale de avalanșă; una este metoda statistică, iar cealaltă este calculul termic. Calculul termic este utilizat pe scară largă deoarece este mai practic. Multe companii au oferit detalii despre testarea dispozitivelor lor. De exemplu, Fairchild Semiconductor oferă „Power MOSFET Avalanche Guidelines” (Power MOSFET Avalanche Guidelines – poate fi descărcat de pe site-ul Fairchild). Pe lângă calcul, tehnologia are și o influență mare asupra efectului de avalanșă. De exemplu, o creștere a dimensiunii matriței crește rezistența la avalanșă și în cele din urmă crește robustețea dispozitivului. Pentru utilizatorii finali, aceasta înseamnă utilizarea pachetelor mai mari în sistem.
Pasul 4: Determinați performanța comutatorului
Pasul final în selectarea unui MOSFET este determinarea performanței de comutare a MOSFET-ului. Există mulți parametri care afectează performanța comutării, dar cei mai importanți sunt capacitatea poarta/drenajul, poarta/sursa și capacitatea de scurgere/sursa. Acești condensatori creează pierderi de comutare în dispozitiv, deoarece sunt încărcați de fiecare dată când comută. Prin urmare, viteza de comutare a MOSFET este redusă, iar eficiența dispozitivului este, de asemenea, redusă. Pentru a calcula pierderile totale într-un dispozitiv în timpul comutării, proiectantul trebuie să calculeze pierderile în timpul pornirii (Eon) și pierderile în timpul opririi (Eoff). Puterea totală a comutatorului MOSFET poate fi exprimată prin următoarea ecuație: Psw=(Eon+Eoff)×frecvența de comutare. Încărcarea de poartă (Qgd) are cel mai mare impact asupra performanței de comutare. Pe baza importanței performanței de comutare, noi tehnologii sunt dezvoltate în mod constant pentru a rezolva această problemă de comutare. Creșterea dimensiunii cipului crește încărcarea porții; aceasta mărește dimensiunea dispozitivului. Pentru a reduce pierderile de comutare, au apărut noi tehnologii, cum ar fi oxidarea cu fundul gros al canalului, cu scopul de a reduce sarcina de poartă. De exemplu, noua tehnologie SuperFET poate minimiza pierderile de conducție și poate îmbunătăți performanța de comutare prin reducerea RDS(ON) și a încărcăturii de poartă (Qg). În acest fel, MOSFET-urile pot face față tranzitorilor de tensiune de mare viteză (dv/dt) și tranzitorilor de curent (di/dt) în timpul comutării și pot funcționa chiar în mod fiabil la frecvențe de comutare mai mari.
Ora postării: Oct-23-2023
