Razumjeti MOSFET u jednom članku

Energetski poluvodički uređaji imaju široku primjenu u industriji, potrošnji, vojsci i drugim oblastima i imaju visoku stratešku poziciju. Pogledajmo ukupnu sliku uređaja za napajanje sa slike:

Energetski poluvodički uređaji se prema stupnju kontrole signala kola mogu podijeliti na puni tip, polu-upravljani i nekontrolisani tip. Ili se prema svojstvima signala pogonskog kruga može podijeliti na naponski, strujni itd.

Klasifikacija	tip	Specifični energetski poluvodički uređaji
Upravljivost električnih signala	Polukontrolirani tip	SCR
	Potpuna kontrola	GTO、GTR, MOSFET、IGBT
	Nekontrolisano	Power Diode
Svojstva voznog signala	Tip naponski	IGBT、MOSFET、SITH
Svojstva voznog signala	Trenutni pogonski tip	SCR、GTO、GTR
Efektivni talasni oblik signala	Pulsni tip okidača	SCR、GTO
Efektivni talasni oblik signala	Elektronski tip upravljanja	GTR、MOSFET、IGBT
Situacije u kojima učestvuju elektroni koji nose struju	bipolarni uređaj	Power Diode、SCR、GTO、GTR、BSIT、BJT
	Unipolarni uređaj	MOSFET、SIT
	Kompozitni uređaj	MCT, IGBT, SITH i IGCT

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

Različite karakteristike različitih energetskih poluvodičkih uređaja

Industrija poluprovodnika prošla je kroz tri generacije materijalnih promjena od svog rođenja. Do sada se prvi poluvodički materijal koji predstavlja Si i dalje uglavnom koristi u oblasti energetskih poluvodičkih uređaja.

Poluprovodnički materijal		Bandgap (eV)	Tačka topljenja (K)	glavna aplikacija
Poluprovodnički materijali prve generacije	Ge	1.1	1221	Tranzistori niskog napona, niske frekvencije, srednje snage, fotodetektori
Poluprovodnički materijali druge generacije	Si	0.7	1687
Poluprovodnički materijali treće generacije	GaAs	1.4	1511	Mikrotalasna, uređaji milimetarskog talasa, uređaji koji emituju svetlost
	SiC	3.05	2826	1. Visokotemperaturni, visokofrekventni uređaji velike snage otporni na zračenje 2. Plave, kvalitetne, ljubičaste diode koje emituju svjetlost, poluvodički laseri
	GaN	3.4	1973
	AIN	6.2	2470
	C	5.5	＞3800
	ZnO	3.37	2248

Sumirajte karakteristike polu-upravljanih i potpuno kontroliranih energetskih uređaja:

Vrsta uređaja	SCR	GTR	MOSFET	IGBT
Tip kontrole	Pulsni okidač	Trenutna kontrola	kontrola napona	filmski centar
linija za samoisključivanje	Isključivanje komutacije	uređaj za samoisključivanje	uređaj za samoisključivanje	uređaj za samoisključivanje
radna frekvencija	<1khz	<30khz	20khz-Mhz	<40khz
Pogonska snaga	mala	veliki	mala	mala
komutacioni gubici	veliki	veliki	veliki	veliki
gubitak provodljivosti	mala	mala	veliki	mala
Napon i strujni nivo	最大	veliki	minimum	više
Tipične primjene	Indukcijsko grijanje srednje frekvencije	UPS frekventni pretvarač	prekidačko napajanje	UPS frekventni pretvarač
cijena	najniže	niže	u sredini	Najskuplji
efekat modulacije provodljivosti	imati	imati	nijedan	imati

Upoznajte MOSFET-ove

MOSFET ima visoku ulaznu impedanciju, nisku buku i dobru termičku stabilnost; ima jednostavan proizvodni proces i jako zračenje, pa se obično koristi u krugovima pojačala ili sklopnim krugovima;

(1) Glavni parametri odabira: drejn-izvor napon VDS (izdržljivi napon), ID kontinuirana struja curenja, RDS(on) uključeni otpor, Ciss ulazni kapacitet (kapacitivnost spoja), faktor kvaliteta FOM=Ron*Qg, itd.

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

U prekidačkom napajanju, kao što je kolo s otvorenim odvodom, odvod je povezan s opterećenjem netaknut, što se naziva otvorenim odvodom. U krugu s otvorenim odvodom, bez obzira na visok napon na kojem je opterećenje priključeno, struja opterećenja se može uključiti i isključiti. To je idealan analogni komutacijski uređaj. Ovo je princip MOSFET-a kao sklopnog uređaja.

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

Glavni brendovi MOSFET-a podijeljeni su u nekoliko serija: američke, japanske i korejske.

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

japanski: Toshiba, Renesas, ROHM, itd.;

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

Kategorije MOSFET paketa

Prema načinu na koji je instaliran na PCB ploči, postoje dvije glavne vrste MOSFET paketa: plug-in (Through Hole) i površinski montiran (Surface Mount). ,

Tip plug-in znači da pinovi MOSFET-a prolaze kroz montažne rupe na PCB ploči i zavaruju se na PCB ploču. Uobičajeni paketi dodataka uključuju: dvostruki in-line paket (DIP), tranzistorski paket (TO) i paket pin grid niza (PGA).

Plug-in pakovanje

Površinska montaža je mjesto gdje su MOSFET pinovi i prirubnica za rasipanje topline zavareni na jastučiće na površini PCB ploče. Tipični paketi za površinsku montažu uključuju: tranzistorski obris (D-PAK), tranzistor malog okvira (SOT), mali okvir (SOP), četverostruko ravno kućište (QFP), plastični olovni nosač čipa (PLCC), itd.

paket za površinsku montažu

Sa razvojem tehnologije, PCB ploče kao što su matične ploče i grafičke kartice trenutno koriste sve manje direktnog plug-in pakovanja, a više se koristi ambalaža za površinsku montažu.

1. Dvostruki in-line paket (DIP)

DIP paket ima dva reda pinova i treba ga umetnuti u utičnicu za čip sa DIP strukturom. Metoda njegovog izvođenja je SDIP (Shrink DIP), što je skupljajući dvostruko-linijski paket. Gustoća pinova je 6 puta veća od gustine DIP-a.

Oblici strukture DIP ambalaže uključuju: višeslojni keramički dual-in-line DIP, jednoslojni keramički dual-in-line DIP, olovni okvir DIP (uključujući tip staklokeramičke zaptivke, tip strukture plastične kapsule, keramičku inkapsulaciju stakla niskog taljenja tip) itd. Karakteristika DIP pakovanja je da se lako može realizovati zavarivanje PCB-a kroz rupe ploče i ima dobru kompatibilnost sa matičnom pločom.

Međutim, pošto su njegova površina pakovanja i debljina relativno veliki, a igle se lako oštećuju tokom procesa uključivanja i isključivanja, pouzdanost je loša. Istovremeno, zbog uticaja procesa, broj pinova uglavnom ne prelazi 100. Dakle, u procesu visoke integracije elektronske industrije, DIP ambalaža se postepeno povlači sa pozornice istorije.

2. Transistor Outline Package (TO)

Rane specifikacije pakovanja, kao što su TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, itd., su svi dizajni pakovanja sa priključkom.

TO-3P/247: To je uobičajeni oblik pakovanja za srednje-visokonaponske i visokostrujne MOSFET-ove. Proizvod ima karakteristike visokog otpornog napona i jake otpornosti na kvar.

TO-220/220F: TO-220F je potpuno plastično pakovanje i nema potrebe za dodavanjem izolacione podloge prilikom ugradnje na radijator; TO-220 ima metalni lim spojen na srednji pin, a prilikom ugradnje radijatora potrebna je izolacijska podloga. MOSFET-ovi ova dva tipa paketa imaju sličan izgled i mogu se koristiti naizmenično.

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

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

Posljednjih godina, zbog visokih troškova zavarivanja u procesu pakiranja sa utičnicom i lošijeg učinka odvođenja topline u odnosu na proizvode tipa zakrpa, potražnja na tržištu površinske montaže nastavila je rasti, što je također dovelo do razvoja TO ambalaže. u ambalažu za površinsku montažu.

TO-252 (koji se naziva i D-PAK) i TO-263 (D2PAK) su oba paketa za površinsku montažu.。

ZA upakovati izgled proizvoda

TO252/D-PAK je plastični paket čipova koji se obično koristi za pakovanje energetskih tranzistora i čipova za stabilizaciju napona. To je jedan od aktuelnih mainstream paketa. MOSFET koji koristi ovu metodu pakovanja ima tri elektrode, kapiju (G), dren (D) i izvor (S). Igla za odvod (D) je odrezana i ne koristi se. Umjesto toga, hladnjak na stražnjoj strani se koristi kao odvod (D), koji je direktno zavaren na PCB. S jedne strane, koristi se za izlaz velikih struja, a s druge strane odvodi toplinu kroz PCB. Dakle, postoje tri D-PAK jastučića na PCB-u, a drenažna (D) jastučića je veća. Njegove specifikacije pakovanja su sljedeće:

Specifikacije veličine paketa TO-252/D-PAK

TO-263 je varijanta TO-220. Uglavnom je dizajniran da poboljša efikasnost proizvodnje i rasipanje toplote. Podržava izuzetno visoku struju i napon. Češći je kod srednjenaponskih visokostrujnih MOSFET-ova ispod 150A i iznad 30V. Pored D2PAK (TO-263AB), uključuje i TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 i druge stilove, koji su podređeni TO-263, uglavnom zbog različitog broja i udaljenosti pinova .

Specifikacije veličine paketa TO-263/D2PAK

Specifikacija veličine paketa TO-263/D2PAKs

3. Paket pin grid niza (PGA)

Postoji više pinova kvadratnog niza unutar i izvan PGA (Pin Grid Array Package) čipa. Svaki kvadratni niz pin je raspoređen na određenoj udaljenosti oko čipa. U zavisnosti od broja iglica, može se formirati u 2 do 5 krugova. Tokom instalacije, samo umetnite čip u posebnu PGA utičnicu. Ima prednosti jednostavnog uključivanja i isključivanja i visoke pouzdanosti i može se prilagoditi višim frekvencijama.

PGA stil paketa

Većina njegovih podloga za čipove napravljena je od keramičkog materijala, a neki koriste specijalnu plastičnu smolu kao podlogu. U tehnološkom smislu, središnji razmak igle je obično 2,54 mm, a broj pinova se kreće od 64 do 447. Karakteristika ove vrste pakovanja je da što je manja površina pakovanja (zapremina), to je manja potrošnja energije (performanse). ) može izdržati, i obrnuto. Ovaj stil pakovanja čipova bio je češći u ranim danima i uglavnom se koristio za pakovanje proizvoda velike potrošnje energije kao što su CPU. Na primjer, Intelov 80486 i Pentium koriste ovaj stil pakovanja; nije široko prihvaćen od strane proizvođača MOSFET-a.

4. Small Outline Tranzistor Package (SOT)

SOT (Small Out-Line Transistor) je paket tranzistora male snage, koji uglavnom uključuje SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (tj. SOT23-5), itd. SOT323, SOT363/SOT26 (tj. SOT23-6) i drugi tipovi su izvedene, koje su manje veličine od TO paketa.

Tip SOT paketa

SOT23 je uobičajeno korišteni tranzistorski paket sa tri igle u obliku krila, odnosno kolektora, emitera i baze, koji su navedeni na obje strane duge strane komponente. Među njima, emiter i baza su na istoj strani. Uobičajeni su u tranzistorima male snage, tranzistorima s efektom polja i kompozitnim tranzistorima s mrežama otpornika. Imaju dobru čvrstoću, ali lošu lemljivost. Izgled je prikazan na slici (a) ispod.

SOT89 ima tri kratka pina raspoređena na jednoj strani tranzistora. Druga strana je metalni hladnjak povezan s bazom kako bi se povećala sposobnost odvođenja topline. Uobičajen je u silikonskim tranzistorima za površinsku montažu i pogodan je za aplikacije veće snage. Izgled je prikazan na slici (b) ispod.

SOT143 ima četiri kratke igle u obliku krila, koje su izvedene sa obe strane. Širi kraj igle je kolektor. Ovaj tip paketa je uobičajen u visokofrekventnim tranzistorima, a njegov izgled je prikazan na slici (c) ispod.

SOT252 je tranzistor velike snage sa tri pina koja vode s jedne strane, a srednji pin je kraći i kolektor je. Spojite na veći pin na drugom kraju, koji je bakarni lim za odvođenje topline, a njegov izgled je kao što je prikazano na slici (d) ispod.

Uobičajeno poređenje izgleda SOT paketa

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

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

5. Small Outline Package (SOP)

SOP (Small Out-Line Package) je jedan od paketa za površinsku montažu, koji se naziva i SOL ili DFP. Igle su izvučene sa obe strane pakovanja u obliku krila galeba (L oblik). Materijali su plastika i keramika. Standardi SOP pakovanja uključuju SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, itd. Broj iza SOP-a označava broj igala. Većina MOSFET SOP paketa usvaja SOP-8 specifikacije. Industrija često izostavlja "P" i skraćuje ga kao SO (Small Out-Line).

Veličina pakovanja SOP-8

SO-8 je prvi put razvila kompanija PHILIP. Upakovan je u plastiku, nema donju ploču za rasipanje toplote i slabo odvodi toplotu. Obično se koristi za MOSFET male snage. Kasnije su postepeno izvedene standardne specifikacije kao što su TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), itd.; među njima, TSOP i TSSOP se obično koriste u MOSFET ambalaži.

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

6. Quad Flat Package (QFP)

Udaljenost između pinova čipa u QFP (Plastic Quad Flat Package) paketu je vrlo mala i igle su vrlo tanke. Obično se koristi u velikim ili ultra-velikim integrisanim kolima, a broj pinova je uglavnom više od 100. Čipovi upakovani u ovaj oblik moraju koristiti tehnologiju površinske montaže SMT za lemljenje čipa na matičnu ploču. Ova metoda pakovanja ima četiri glavne karakteristike: ① Pogodan je za SMD tehnologiju površinske montaže za ugradnju ožičenja na PCB ploče; ② Pogodan je za visokofrekventnu upotrebu; ③ Lako se koristi i ima visoku pouzdanost; ④ Odnos između površine čipa i površine pakovanja je mali. Kao i PGA metoda pakovanja, ova metoda pakovanja umotava čip u plastičnu ambalažu i ne može da rasprši toplotu koja nastaje kada čip radi na vreme. Ograničava poboljšanje performansi MOSFET-a; a sama plastična ambalaža povećava veličinu uređaja, što ne ispunjava uslove za razvoj poluprovodnika u pravcu da budu lagani, tanki, kratki i mali. Pored toga, ovaj tip pakovanja se zasniva na jednom čipu, što ima probleme niske efikasnosti proizvodnje i visoke cene pakovanja. Stoga je QFP prikladniji za upotrebu u digitalnim logičkim LSI kolima kao što su mikroprocesori/nizovi gejta, a također je pogodan za pakovanje proizvoda analognih LSI kola kao što je obrada VTR signala i obrada audio signala.

7、Quad flat paket bez kablova (QFN)

QFN (Quad Flat Non-oloved package) paket je opremljen kontaktima za elektrode na sve četiri strane. Pošto nema kablova, površina za montažu je manja od QFP, a visina je niža od QFP. Među njima, keramički QFN se također naziva LCC (Leadless Chip Carriers), a jeftini plastični QFN koji koristi osnovni materijal odštampanog staklenom epoksidnom smolom naziva se plastični LCC, PCLC, P-LCC, itd. To je novo pakovanje čipova za površinsku montažu tehnologija sa malom veličinom jastučića, malom zapreminom i plastikom kao zaptivnim materijalom. QFN se uglavnom koristi za pakiranje integriranih kola, a MOSFET se neće koristiti. Međutim, pošto je Intel predložio integrisani drajver i MOSFET rešenje, lansirao je DrMOS u QFN-56 paketu („56“ se odnosi na 56 pinova za povezivanje na poleđini čipa).

Treba napomenuti da QFN paket ima istu konfiguraciju eksternog elektroda kao i ultra-tanki paket malih linija (TSSOP), ali je njegova veličina 62% manja od TSSOP. Prema podacima QFN modeliranja, njegove termalne performanse su 55% veće od onih kod TSSOP ambalaže, a njegove električne performanse (induktivnost i kapacitivnost) su 60% odnosno 30% veće od TSSOP ambalaže. Najveći nedostatak je što ga je teško popraviti.

DrMOS u paketu QFN-56

Tradicionalna diskretna DC/DC step-down prekidačka napajanja ne mogu zadovoljiti zahtjeve za većom gustinom snage, niti mogu riješiti problem parazitskih parametarskih efekata na visokim frekvencijama prebacivanja. Sa inovacijama i napretkom tehnologije, postala je stvarnost integracija drajvera i MOSFET-a za izgradnju modula sa više čipova. Ova metoda integracije može uštedjeti značajan prostor i povećati gustinu potrošnje energije. Kroz optimizaciju drajvera i MOSFET-ova, to je postalo stvarnost. Energetska efikasnost i visokokvalitetna jednosmerna struja, ovo je DrMOS integrisani drajver IC.

Renesas 2. generacije DrMOS

QFN-56 paket bez elektroda čini DrMOS termičku impedanciju veoma niskom; sa unutrašnjim spajanjem žice i dizajnom bakrenih obujmica, eksterno ožičenje PCB-a može se minimizirati, čime se smanjuje induktivnost i otpor. Osim toga, korišteni silikonski MOSFET proces dubokog kanala također može značajno smanjiti provodljivost, komutaciju i gubitke napunjenosti gejta; kompatibilan je sa raznim kontrolerima, može postići različite režime rada i podržava aktivnu faznu konverziju moda APS (Auto Phase Switching). Pored QFN pakovanja, bilateralno ravno pakovanje bez olova (DFN) je takođe novi elektronski proces pakovanja koji se široko koristi u različitim komponentama ON Semiconductor-a. U poređenju sa QFN, DFN ima manje elektroda za izvođenje sa obe strane.

8、Plastični olovni nosač čipa (PLCC)

PLCC (Plastic Quad Flat Package) ima kvadratni oblik i mnogo je manji od DIP paketa. Ima 32 igle sa iglama svuda okolo. Igle su izvedene sa četiri strane pakovanja u obliku slova T. To je plastični proizvod. Udaljenost između igle je 1,27 mm, a broj iglica se kreće od 18 do 84. Igle u obliku slova J nisu lako deformisane i lakši su za rukovanje od QFP-a, ali je pregled izgleda nakon zavarivanja teži. PLCC pakovanje je pogodno za instalaciju ožičenja na PCB pomoću SMT tehnologije površinske montaže. Prednosti su male veličine i visoke pouzdanosti. PLCC pakovanje je relativno uobičajeno i koristi se u logičkim LSI, DLD (ili programskom logičkom uređaju) i drugim kolima. Ovaj oblik pakovanja se često koristi u BIOS-u matične ploče, ali je trenutno manje uobičajen u MOSFET-ovima.

Enkapsulacija i poboljšanje za mainstream preduzeća

Zbog trenda razvoja niskog napona i velike struje u CPU-ima, MOSFET-ovi moraju imati veliku izlaznu struju, nisku otpornost na uključenje, nisko stvaranje topline, brzo rasipanje topline i malu veličinu. Pored poboljšanja tehnologije i procesa proizvodnje čipova, proizvođači MOSFET-a nastavljaju i sa unapređenjem tehnologije pakovanja. Na osnovu kompatibilnosti sa standardnim specifikacijama izgleda, oni predlažu nove oblike pakovanja i registruju nazive zaštitnih znakova za nova pakovanja koja razvijaju.

1、RENESAS WPAK, LFPAK i LFPAK-I paketi

WPAK je paket visokog toplotnog zračenja koji je razvio Renesas. Imitirajući D-PAK paket, hladnjak čipa je zavaren za matičnu ploču, a toplota se raspršuje kroz matičnu ploču, tako da i mali paket WPAK može dostići izlaznu struju D-PAK-a. WPAK-D2 pakuje dva high/low MOSFET-a za smanjenje induktivnosti ožičenja.

Veličina paketa Renesas WPAK

LFPAK i LFPAK-I su još dva mala paketa oblika koji je razvio Renesas koji su kompatibilni sa SO-8. LFPAK je sličan D-PAK-u, ali manji od D-PAK-a. LFPAK-i postavlja hladnjak prema gore kako bi raspršio toplinu kroz hladnjak.

Renesas LFPAK i LFPAK-I paketi

2. Vishay Power-PAK i Polar-PAK ambalaža

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

Vishay Power-PAK1212-8 paket

Vishay Power-PAK SO-8 paket

Polar PAK je mali paket sa dvostranim odvođenjem toplote i jedna je od Vishay-evih osnovnih tehnologija pakovanja. Polar PAK je isti kao i obični so-8 paket. Ima tačke disipacije i na gornjoj i na donjoj strani pakovanja. Nije lako akumulirati toplinu unutar paketa i može povećati gustinu struje radne struje na dvostruko veću od SO-8. Trenutno, Vishay je licencirao Polar PAK tehnologiju za STMicroelectronics.

Vishay Polar PAK paket

3. Onsemi SO-8 i WDFN8 ravni olovni paketi

ON Semiconductor je razvio dva tipa MOSFET-a sa ravnim olovom, među kojima mnoge ploče koriste one sa ravnim olovom kompatibilne sa SO-8. Novo lansirani NVMx i NVTx energetski MOSFET-ovi ON Semiconductor-a koriste kompaktne DFN5 (SO-8FL) i WDFN8 pakete kako bi minimizirali gubitke provodljivosti. Takođe ima nizak QG i kapacitet za smanjenje gubitaka vozača.

ON Semiconductor SO-8 Flat Lead Package

ON Semiconductor WDFN8 paket

4. NXP LFPAK i QLPAK pakovanje

NXP (ranije Philps) je poboljšao SO-8 tehnologiju pakovanja u LFPAK i QLPAK. Među njima, LFPAK se smatra najpouzdanijim energetskim SO-8 paketom na svijetu; dok QLPAK ima karakteristike male veličine i veće efikasnosti odvođenja toplote. U poređenju sa običnim SO-8, QLPAK zauzima površinu PCB ploče od 6*5 mm i ima termičku otpornost od 1,5 k/W.

NXP LFPAK paket

NXP QLPAK pakovanje

4. ST Semiconductor PowerSO-8 paket

STMicroelectronics-ove Power MOSFET čipove tehnologije za pakovanje uključuju SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, itd. Među njima, Power SO-8 je poboljšana verzija SO-8. Pored toga, tu su PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 i drugi paketi.

STMicroelectronics Power SO-8 paket

5. Fairchild Semiconductor Power 56 paket

Power 56 je Farichildov ekskluzivni naziv, a službeni naziv je DFN5×6. Njegova površina pakovanja je uporediva sa obično korišćenim TSOP-8, a tanko pakovanje štedi visinu komponenti, a dizajn Thermal-Pad na dnu smanjuje termičku otpornost. Stoga su mnogi proizvođači energetskih uređaja implementirali DFN5×6.

Fairchild Power 56 paket

6. Međunarodni ispravljač (IR) direktni FET paket

Direktni FET pruža efikasno gornje hlađenje u SO-8 ili manjem otisku i pogodan je za AC-DC i DC-DC aplikacije za pretvaranje energije u računarima, laptopima, telekomunikacijama i opremi za potrošačku elektroniku. Metalna konstrukcija limenke DirectFET-a obezbeđuje dvostrano odvođenje toplote, efektivno udvostručujući trenutne mogućnosti rukovanja visokofrekventnim DC-DC pretvaračima u poređenju sa standardnim plastičnim diskretnim paketima. Direktni FET paket je obrnuto montiran, sa odvodnim (D) hladnjakom okrenutim prema gore i prekrivenim metalnom školjkom, kroz koju se toplota odvodi. Direktna FET ambalaža uvelike poboljšava disipaciju topline i zauzima manje prostora uz dobro odvođenje topline.

Rezimiraj

U budućnosti, kako se elektronička proizvodna industrija nastavlja razvijati u smjeru ultra tanke, minijaturizacije, niskog napona i velike struje, izgled i unutrašnja struktura pakovanja MOSFET-a će se također promijeniti kako bi se bolje prilagodili razvojnim potrebama proizvodnje. industrija. Osim toga, kako bi se snizio prag odabira za proizvođače elektroničkih uređaja, trend razvoja MOSFET-a u smjeru modularizacije i pakiranja na nivou sistema postat će sve očigledniji, a proizvodi će se razvijati na koordiniran način iz više dimenzija kao što su performanse i troškovi. . Pakovanje je jedan od važnih referentnih faktora za izbor MOSFET-a. Različiti elektronički proizvodi imaju različite električne zahtjeve, a različita instalacijska okruženja također zahtijevaju odgovarajuće specifikacije veličine da bi se ispunile. U stvarnom odabiru, odluku treba donijeti u skladu sa stvarnim potrebama prema opštem principu. Neki elektronski sistemi su ograničeni veličinom PCB-a i unutrašnjom visinom. Na primjer, moduli za napajanje komunikacionih sistema obično koriste DFN5*6 i DFN3*3 pakete zbog ograničenja visine; u nekim ACDC izvorima napajanja, ultra-tanki dizajni ili zbog ograničenja školjke su pogodni za sklapanje TO220 upakovanih energetskih MOSFET-ova. U ovom trenutku, igle se mogu direktno umetnuti u korijen, što nije prikladno za TO247 pakirane proizvode; neki ultra-tanki dizajni zahtijevaju da se igle uređaja savijaju i polože ravno, što će povećati složenost izbora MOSFET-a.

Kako odabrati MOSFET

Inženjer mi je jednom rekao da nikada nije pogledao prvu stranicu MOSFET lista sa podacima jer su se "praktične" informacije pojavile samo na drugoj stranici i dalje. Gotovo svaka stranica na MOSFET listi podataka sadrži vrijedne informacije za dizajnere. Ali nije uvijek jasno kako tumačiti podatke koje daju proizvođači.

Ovaj članak opisuje neke od ključnih specifikacija MOSFET-a, kako su one navedene na tablici sa podacima i jasnu sliku koja vam je potrebna da biste ih razumjeli. Kao i većina elektronskih uređaja, na MOSFET-ove utiče radna temperatura. Stoga je važno razumjeti uslove testiranja pod kojima se primjenjuju navedeni indikatori. Takođe je ključno razumjeti da li su indikatori koje vidite u "Uvodu o proizvodu" "maksimalne" ili "tipične" vrijednosti, jer neki listovi sa podacima to ne navode jasno.

Stupanj napona

Primarna karakteristika koja određuje MOSFET je njegov drain-source napon VDS, ili "drain-source breakdown volt", koji je najviši napon koji MOSFET može izdržati bez oštećenja kada je kapija kratko spojena na izvor i struju odvoda. je 250μA. . VDS se također naziva "apsolutni maksimalni napon na 25°C", ali je važno zapamtiti da ovaj apsolutni napon ovisi o temperaturi, a obično postoji "VDS temperaturni koeficijent" u tehničkom listu. Također morate razumjeti da je maksimalni VDS istosmjerni napon plus svi skokovi napona i talasi koji mogu biti prisutni u kolu. Na primjer, ako koristite uređaj od 30V na 30V napajanju sa šikom od 100mV, 5ns, napon će premašiti apsolutnu maksimalnu granicu uređaja i uređaj može ući u lavinski način rada. U ovom slučaju se ne može garantovati pouzdanost MOSFET-a. Pri visokim temperaturama, temperaturni koeficijent može značajno promijeniti napon proboja. Na primjer, neki N-kanalni MOSFET-ovi s naponom od 600V imaju pozitivan temperaturni koeficijent. Kako se približavaju svojoj maksimalnoj temperaturi spoja, temperaturni koeficijent uzrokuje da se ovi MOSFET-ovi ponašaju kao 650V MOSFET-ovi. Pravila dizajna mnogih korisnika MOSFET-a zahtijevaju faktor smanjenja vrijednosti od 10% do 20%. U nekim projektima, uzimajući u obzir da je stvarni napon proboja 5% do 10% veći od nominalne vrijednosti na 25°C, odgovarajuća korisna margina dizajna će biti dodata stvarnom dizajnu, što je vrlo korisno za dizajn. Jednako važno za ispravan odabir MOSFET-a je razumijevanje uloge napona gejt-izvor VGS tokom procesa provodljivosti. Ovaj napon je napon koji osigurava potpunu provodljivost MOSFET-a pod datim maksimalnim RDS(on) uslovima. Zbog toga je otpor na uključenje uvijek povezan sa VGS nivoom, i samo na tom naponu se uređaj može uključiti. Važna posljedica dizajna je da ne možete u potpunosti uključiti MOSFET sa naponom nižim od minimalnog VGS koji se koristi za postizanje RDS(on) ocjene. Na primjer, da biste u potpunosti uključili MOSFET sa 3.3V mikrokontrolerom, morate biti u mogućnosti da uključite MOSFET na VGS=2.5V ili niže.

Otpor na udaru, punjenje vrata i "broj zasluga"

Otpor na uključenost MOSFET-a je uvijek određen na jednom ili više napona od vrata do izvora. Maksimalna RDS(on) granica može biti 20% do 50% veća od tipične vrijednosti. Maksimalna granica RDS(on) obično se odnosi na vrijednost na temperaturi spoja od 25°C. Na višim temperaturama, RDS(on) se može povećati za 30% do 150%, kao što je prikazano na slici 1. Budući da se RDS(on) mijenja s temperaturom i minimalna vrijednost otpora se ne može garantirati, detekcija struje na osnovu RDS(on) nije veoma tačna metoda.

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

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

Otpor na uključenje je veoma važan i za N-kanalne i za P-kanalne MOSFET-ove. U prekidačkim izvorima napajanja, Qg je ključni kriterij odabira za N-kanalne MOSFET-ove koji se koriste u prekidačkim izvorima napajanja jer Qg utječe na komutacijske gubitke. Ovi gubici imaju dva efekta: jedan je vrijeme uključivanja koje utiče na uključivanje i isključivanje MOSFET-a; druga je energija potrebna za punjenje kapacitivnosti kapije tokom svakog procesa prebacivanja. Jedna stvar koju treba imati na umu je da Qg ovisi o naponu gejt-izvor, čak i ako korištenje nižeg Vgs smanjuje komutacijske gubitke. Kao brz način da se uporede MOSFET-ovi namenjeni za upotrebu u komutacionim aplikacijama, dizajneri često koriste singularnu formulu koja se sastoji od RDS(on) za gubitke u provodljivosti i Qg za komutacione gubitke: RDS(on)xQg. Ovaj "broj zasluga" (FOM) sumira performanse uređaja i omogućava poređenje MOSFET-a u smislu tipičnih ili maksimalnih vrijednosti. Da biste osigurali precizno poređenje između uređaja, morate osigurati da se isti VGS koristi za RDS(on) i Qg, te da se tipične i maksimalne vrijednosti ne miješaju u publikaciji. Niži FOM će vam dati bolje performanse pri prebacivanju aplikacija, ali to nije zajamčeno. Najbolji rezultati poređenja mogu se dobiti samo u stvarnom kolu, a u nekim slučajevima će se sklop možda morati fino podesiti za svaki MOSFET. Nazivna struja i disipacija snage, na osnovu različitih uslova ispitivanja, većina MOSFET-ova ima jednu ili više kontinuiranih struja odvoda u tehničkom listu. Trebalo bi da pažljivo pogledate tehnički list kako biste utvrdili da li je ocjena na specificiranoj temperaturi kućišta (npr. TC=25°C) ili temperaturi okoline (npr. TA=25°C). Koja od ovih vrijednosti je najrelevantnija ovisit će o karakteristikama uređaja i primjeni (vidi sliku 2).

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

Za male uređaje za površinsku montažu koji se koriste u ručnim uređajima, najrelevantniji trenutni nivo može biti onaj na temperaturi okoline od 70°C. Za veliku opremu sa hladnjakom i prisilnim hlađenjem zraka, trenutni nivo na TA=25℃ može biti bliži stvarnoj situaciji. Za neke uređaje, matrica može podnijeti veću struju na svojoj maksimalnoj temperaturi spoja od ograničenja paketa. U nekim listovima sa podacima, ovaj "ograničen" nivo struje je dodatna informacija za nivo struje "ograničen na paket", što vam može dati predstavu o robusnosti matrice. Slična razmatranja se primjenjuju na kontinuiranu disipaciju snage, koja ovisi ne samo o temperaturi već i o vremenu. Zamislite uređaj koji neprekidno radi na PD=4W 10 sekundi na TA=70℃. Ono što predstavlja "neprekidni" vremenski period će varirati u zavisnosti od MOSFET paketa, tako da ćete želeti da koristite normalizovani dijagram impedanse termičke tranzijente iz tablice da vidite kako izgleda rasipanje snage nakon 10 sekundi, 100 sekundi ili 10 minuta . Kao što je prikazano na slici 3, koeficijent termičke otpornosti ovog specijalizovanog uređaja nakon 10-sekundnog impulsa je približno 0,33, što znači da kada pakovanje dostigne termičko zasićenje nakon otprilike 10 minuta, kapacitet odvođenja toplote uređaja je samo 1,33W umjesto 4W . Iako kapacitet disipacije topline uređaja može doseći oko 2W pod dobrim hlađenjem.

Slika 3 Termički otpor MOSFET-a kada se primjenjuje impuls snage

U stvari, možemo podijeliti kako odabrati MOSFET u četiri koraka.

Prvi korak: odaberite N kanal ili P kanal

Prvi korak u odabiru pravog uređaja za vaš dizajn je odluka da li ćete koristiti N-kanalni ili P-kanalni MOSFET. U tipičnoj primjeni napajanja, kada je MOSFET spojen na masu, a opterećenje priključeno na mrežni napon, MOSFET formira prekidač niske strane. U prekidaču niske strane, N-kanalni MOSFET-ovi bi se trebali koristiti zbog razmatranja napona potrebnog da se uređaj isključi ili uključi. Kada je MOSFET spojen na sabirnicu i opterećenje na masu, koristi se prekidač na visokoj strani. P-kanalni MOSFET-ovi se obično koriste u ovoj topologiji, što je također zbog razmatranja naponskog pogona. Da biste odabrali pravi uređaj za svoju primjenu, morate odrediti napon potreban za pogon uređaja i najlakši način da to učinite u svom dizajnu. Sljedeći korak je određivanje potrebnog napona, odnosno maksimalnog napona koji uređaj može izdržati. Što je veći napon, to je veći trošak uređaja. Prema praktičnom iskustvu, nazivni napon bi trebao biti veći od napona mreže ili napona sabirnice. Ovo će pružiti dovoljnu zaštitu tako da MOSFET neće otkazati. Prilikom odabira MOSFET-a potrebno je odrediti maksimalni napon koji se može tolerirati od drena do izvora, odnosno maksimalni VDS. Važno je znati da maksimalni napon koji MOSFET može izdržati s temperaturom. Projektanti moraju testirati varijacije napona u cijelom rasponu radne temperature. Nazivni napon mora imati dovoljno margine da pokrije ovaj raspon varijacija kako bi se osiguralo da strujni krug neće otkazati. Ostali sigurnosni faktori koje projektanti moraju uzeti u obzir uključuju naponske tranzijente izazvane prekidačkom elektronikom kao što su motori ili transformatori. Nazivni naponi variraju za različite primjene; tipično, 20V za prijenosne uređaje, 20-30V za FPGA napajanje i 450-600V za 85-220VAC aplikacije.

Korak 2: Odredite nazivnu struju

Drugi korak je odabir trenutne ocjene MOSFET-a. Ovisno o konfiguraciji kola, ova nazivna struja bi trebala biti maksimalna struja koju opterećenje može izdržati u svim okolnostima. Slično naponskoj situaciji, projektant mora osigurati da odabrani MOSFET može izdržati ovu strujnu ocjenu, čak i kada sistem generiše strujne skokove. Dva trenutna stanja koja se razmatraju su kontinuirani mod i impulsni skok. U režimu kontinuirane provodljivosti, MOSFET je u stabilnom stanju, gdje struja neprekidno teče kroz uređaj. Pulsni skok se odnosi na veliki udar (ili struju skoka) koji teče kroz uređaj. Jednom kada se odredi maksimalna struja pod ovim uvjetima, jednostavno je pitanje odabira uređaja koji može podnijeti ovu maksimalnu struju. Nakon odabira nazivne struje, mora se izračunati i gubitak provodljivosti. U stvarnim situacijama, MOSFET nije idealan uređaj jer postoji gubitak električne energije tokom procesa provođenja, što se naziva gubitkom provodljivosti. MOSFET se ponaša kao promjenjivi otpornik kada je "uključen", što je određeno RDS(ON) uređaja i značajno se mijenja s temperaturom. Gubitak snage uređaja može se izračunati pomoću Iload2×RDS(ON). Budući da se otpor uključivanja mijenja s temperaturom, gubitak snage će se također proporcionalno promijeniti. Što je veći napon VGS primijenjen na MOSFET, manji će biti RDS(ON); obrnuto, RDS(ON) će biti veći. Za dizajnera sistema, ovo je mjesto gdje dolazi do kompromisa u zavisnosti od napona sistema. Za prijenosne dizajne, lakše je (i češće) koristiti niže napone, dok se za industrijske dizajne mogu koristiti viši naponi. Imajte na umu da će otpor RDS(ON) lagano rasti sa strujom. Varijacije u različitim električnim parametrima RDS(ON) otpornika mogu se naći u tehničkim podacima proizvođača. Tehnologija ima značajan uticaj na karakteristike uređaja, jer neke tehnologije imaju tendenciju da povećaju RDS(ON) kada se poveća maksimalni VDS. Za takvu tehnologiju, ako namjeravate smanjiti VDS i RDS(ON), morate povećati veličinu čipa, čime se povećava odgovarajuća veličina paketa i povezani troškovi razvoja. Postoji nekoliko tehnologija u industriji koje pokušavaju kontrolirati povećanje veličine čipa, od kojih su najvažnije tehnologije za balansiranje kanala i naboja. U tehnologiji rovova, duboki rov je ugrađen u pločicu, obično rezervisan za niske napone, kako bi se smanjio otpor na uključenju RDS(ON). Da bi se smanjio uticaj maksimalnog VDS-a na RDS(ON), tokom procesa razvoja korišćen je proces epitaksijalne kolone rasta/kolona za jetkanje. Na primjer, Fairchild Semiconductor je razvio tehnologiju nazvanu SuperFET koja dodaje dodatne proizvodne korake za smanjenje RDS(ON). Ovaj fokus na RDS(ON) je važan jer kako se probojni napon standardnog MOSFET-a povećava, RDS(ON) raste eksponencijalno i dovodi do povećanja veličine matrice. SuperFET proces mijenja eksponencijalni odnos između RDS(ON) i veličine pločice u linearni odnos. Na ovaj način, SuperFET uređaji mogu postići idealan nizak RDS(ON) u malim veličinama matrica, čak i sa naponom proboja do 600V. Rezultat je da se veličina vafla može smanjiti do 35%. Za krajnje korisnike to znači značajno smanjenje veličine paketa.

Treći korak: Odredite termičke zahtjeve

Sljedeći korak u odabiru MOSFET-a je izračunavanje toplinskih zahtjeva sistema. Dizajneri moraju razmotriti dva različita scenarija, najgori scenario i scenario iz stvarnog svijeta. Preporučljivo je koristiti rezultat izračuna u najgorem slučaju, jer ovaj rezultat pruža veću sigurnosnu marginu i osigurava da sistem neće otkazati. Postoje i neki mjerni podaci na koje treba obratiti pažnju na MOSFET podacima; kao što je termički otpor između spoja poluvodiča upakovanog uređaja i okoline i maksimalna temperatura spoja. Temperatura spoja uređaja jednaka je maksimalnoj temperaturi okoline plus proizvod toplinskog otpora i rasipanja snage (temperatura spoja = maksimalna temperatura okoline + [toplinski otpor × disipacija snage]). Prema ovoj jednačini može se riješiti maksimalna disipacija snage sistema, koja je po definiciji jednaka I2×RDS(ON). Budući da je projektant odredio maksimalnu struju koja će proći kroz uređaj, RDS(ON) se može izračunati na različitim temperaturama. Vrijedi napomenuti da kada se bave jednostavnim termičkim modelima, dizajneri također moraju uzeti u obzir toplinski kapacitet poluvodičkog spoja/kućišta uređaja i kućišta/okruženja; ovo zahtijeva da se štampana ploča i paket ne zagriju odmah. Proboj lavine znači da obrnuti napon na poluvodičkom uređaju premašuje maksimalnu vrijednost i formira jako električno polje za povećanje struje u uređaju. Ova struja će rasipati snagu, povećati temperaturu uređaja i eventualno oštetiti uređaj. Poluprovodničke kompanije će provoditi lavinsko testiranje uređaja, izračunati njihov lavinski napon ili testirati robusnost uređaja. Postoje dvije metode za izračunavanje nazivnog lavinskog napona; jedna je statistička metoda, a druga termički proračun. Toplotni proračun se široko koristi jer je praktičniji. Mnoge kompanije su dale detalje o testiranju svojih uređaja. Na primjer, Fairchild Semiconductor pruža "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Smjernice za Power MOSFET Avalanche - mogu se preuzeti sa Fairchild web stranice). Pored računarstva, na efekat lavine veliki uticaj ima i tehnologija. Na primjer, povećanje veličine matrice povećava otpornost na lavinu i na kraju povećava robusnost uređaja. Za krajnje korisnike to znači korištenje većih paketa u sistemu.

Korak 4: Odredite performanse prekidača

Posljednji korak u odabiru MOSFET-a je određivanje sklopnih performansi MOSFET-a. Postoji mnogo parametara koji utiču na performanse komutacije, ali najvažniji su kapija/drejn, kapija/izvor i kapacitivnost drena/izvora. Ovi kondenzatori stvaraju komutacijske gubitke u uređaju jer se pune svaki put kada se uključe. Brzina prebacivanja MOSFET-a je stoga smanjena, a efikasnost uređaja je takođe smanjena. Da bi izračunao ukupne gubitke u uređaju tokom uključivanja, projektant mora izračunati gubitke pri uključivanju (Eon) i gubitke prilikom isključivanja (Eoff). Ukupna snaga MOSFET prekidača može se izraziti sljedećom jednačinom: Psw=(Eon+Eoff)×preklopna frekvencija. Naboj gejta (Qgd) ima najveći uticaj na performanse komutacije. Na osnovu važnosti performansi komutacije, nove tehnologije se stalno razvijaju za rješavanje ovog problema komutacije. Povećanje veličine čipa povećava punjenje kapije; ovo povećava veličinu uređaja. Kako bi se smanjili gubici pri prebacivanju, pojavile su se nove tehnologije kao što je oksidacija debelog dna kanala, s ciljem smanjenja punjenja gejta. Na primjer, nova tehnologija SuperFET može minimizirati gubitke provodljivosti i poboljšati performanse komutacije smanjenjem RDS(ON) i punjenja gejta (Qg). Na ovaj način, MOSFET-ovi mogu da se nose sa brzim naponskim tranzijentima (dv/dt) i strujnim tranzijentima (di/dt) tokom prebacivanja, a mogu čak i pouzdano da rade na višim frekvencijama prebacivanja.