Mõistke MOSFETi ühes artiklis

Jõupooljuhtseadmeid kasutatakse laialdaselt tööstuses, tarbimises, sõjanduses ja muudes valdkondades ning neil on kõrge strateegiline positsioon. Vaatame toiteseadmete üldpilti pildilt:

Võimsuspooljuhtseadmed saab jagada täistüüpideks, pooljuhitavateks ja mittejuhitavateks tüüpideks vastavalt vooluahela signaalide juhtimisastmele. Või vastavalt juhtimisahela signaali omadustele võib selle jagada pingepõhiseks, voolupõhiseks jne.

Klassifikatsioon	tüüp	Spetsiifilised võimsusega pooljuhtseadmed
Elektriliste signaalide juhitavus	Pooljuhitav tüüp	SCR
	Täielik kontroll	GTO, GTR, MOSFET, IGBT
	Kontrollimatu	Toite diood
Sõidusignaali omadused	Pingeajamiga tüüp	IGBT, MOSFET, SITH
Sõidusignaali omadused	Praegune juhitav tüüp	SCR, GTO, GTR
Efektiivne signaali lainekuju	Impulsspäästiku tüüp	SCR, GTO
Efektiivne signaali lainekuju	Elektroonilise juhtimise tüüp	GTR, MOSFET, IGBT
Olukorrad, milles osalevad voolu kandvad elektronid	bipolaarne seade	Toitediood, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT
	Unipolaarne seade	MOSFET, ISTUNE
	Komposiitseade	MCT, IGBT, SITH ja IGCT

Erinevatel võimsusega pooljuhtseadmetel on erinevad omadused, nagu pinge, voolutugevus, impedantsi võime ja suurus. Tegelikus kasutuses tuleb valida sobivad seadmed vastavalt erinevatele valdkondadele ja vajadustele.

Erinevate võimsusega pooljuhtseadmete erinevad omadused

Pooljuhtide tööstus on oma sünnist saadik läbinud kolm põlvkonda materiaalseid muutusi. Siiani on esimest pooljuhtmaterjali, mida esindab Si, endiselt peamiselt kasutatud jõupooljuhtseadmete valdkonnas.

Pooljuhtmaterjal		Bandgap (eV)	Sulamistemperatuur (K)	peamine rakendus
1. põlvkonna pooljuhtmaterjalid	Ge	1.1	1221	Madalpinge, madalsagedus, keskmise võimsusega transistorid, fotodetektorid
2. põlvkonna pooljuhtmaterjalid	Si	0.7	1687
3. põlvkonna pooljuhtmaterjalid	GaAs	1.4	1511	Mikrolaineahi, millimeeterlaineseadmed, valgust kiirgavad seadmed
	SiC	3.05	2826	1. Kõrgtemperatuurilised, kõrgsageduslikud, kiirguskindlad suure võimsusega seadmed 2. Sinised, klassi, violetsed valgusdioodid, pooljuhtlaserid
	GaN	3.4	1973. aastal
	AIN	6.2	2470
	C	5.5	＞ 3800
	ZnO	3.37	2248

Tehke kokkuvõte pooljuhitavate ja täielikult juhitavate toiteseadmete omadustest:

Seadme tüüp	SCR	GTR	MOSFET	IGBT
Kontrolli tüüp	Pulsipäästik	Praegune juhtimine	pinge juhtimine	filmikeskus
isesulguv liin	Kommutatsiooni väljalülitamine	iseväljalülitusseade	iseväljalülitusseade	iseväljalülitusseade
töösagedus	＜ 1 khz	＜ 30 khz	20 khz-Mhz	＜ 40 khz
Sõidujõud	väike	suur	väike	väike
lülituskaod	suur	suur	suur	suur
juhtivuse kaotus	väike	väike	suur	väike
Pinge ja voolutase	最大	suur	miinimum	rohkem
Tüüpilised rakendused	Keskmise sagedusega induktsioonkuumutus	UPS sagedusmuundur	lülitustoiteallikas	UPS sagedusmuundur
hind	madalaim	madalam	keskel	Kõige kallim
juhtivuse modulatsiooni efekt	on	on	mitte ühtegi	on

Tutvuge MOSFETidega

MOSFET-il on kõrge sisendtakistus, madal müratase ja hea termiline stabiilsus; sellel on lihtne tootmisprotsess ja tugev kiirgus, seetõttu kasutatakse seda tavaliselt võimendi või lülitusahelates;

(1) Peamised valikuparameetrid: äravooluallika pinge VDS (taluvuspinge), ID pidev lekkevool, RDS(on) sisselülitustakistus, Ciss-sisendmahtuvus (ristmiku mahtuvus), kvaliteeditegur FOM=Ron*Qg jne.

(2) Erinevate protsesside järgi jaguneb see TrenchMOS-iks: kraavi MOSFET, peamiselt madalpingeväljas 100 V piires; SGT (Split Gate) MOSFET: split gate MOSFET, peamiselt kesk- ja madalpingeväljas 200V piires; SJ MOSFET: supersiirde MOSFET, peamiselt kõrgepingeväljas 600-800V;

Lülitustoiteallikas, näiteks avatud äravooluahelas, on äravool ühendatud koormaga puutumata, mida nimetatakse avatud äravooluks. Avatud äravooluahelas saab koormusvoolu sisse ja välja lülitada, olenemata sellest, kui kõrge pingega koormus on ühendatud. See on ideaalne analooglülitusseade. See on MOSFETi kui lülitusseadme põhimõte.

Turuosa poolest on MOSFET-id peaaegu kõik koondunud suurte rahvusvaheliste tootjate kätte. Nende hulgas omandas Infineon 2015. aastal IR-i (American International Rectifier Company) ja tõusis tööstusharu liidriks. ON Semiconductor viis 2016. aasta septembris lõpule ka Fairchild Semiconductori omandamise. , turuosa hüppas teisele kohale ja seejärel olid müügiedetabelis Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna jne;

Peavoolu MOSFETi kaubamärgid jagunevad mitmeks seeriaks: Ameerika, Jaapani ja Korea.

Ameerika sarjad: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS jne;

Jaapani: Toshiba, Renesas, ROHM jne;

Korea sarjad: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA

MOSFET-paketi kategooriad

Vastavalt sellele, kuidas see PCB-plaadile on paigaldatud, on MOSFET-pakette kahte peamist tüüpi: pistik (läbiava) ja pinnakinnitus (pindkinnitus). "

Pistiktüüp tähendab, et MOSFET-i tihvtid läbivad PCB-plaadi kinnitusavasid ja keevitatakse PCB-plaadi külge. Levinud pistikprogrammide paketid on järgmised: kaks rida paketti (DIP), transistori kontuuripakett (TO) ja pin grid array pakett (PGA).

Pistikühendusega pakend

Pindpaigaldus on koht, kus MOSFET-tihvtid ja soojust hajutav äärik keevitatakse PCB-plaadi pinnal olevate padjandite külge. Tüüpiliste pindpaigalduspakettide hulka kuuluvad: transistori kontuur (D-PAK), väikese kontuuriga transistor (SOT), väikese kontuuriga pakett (SOP), neljatasandiline pakett (QFP), pliiplastist kiibikandur (PLCC) jne.

pindpaigalduspakett

Tehnoloogia arenedes kasutavad PCB-plaadid, nagu emaplaadid ja graafikakaardid, praegu üha vähem otsest pistikprogrammiga pakendeid ning rohkem kasutatakse pinnale paigaldatavaid pakendeid.

1. Dual in-line pakett (DIP)

DIP-pakendil on kaks rida tihvte ja see tuleb sisestada DIP-struktuuriga kiibipesasse. Selle tuletusmeetod on SDIP (Shrink DIP), mis on kahanev topeltreas pakett. Nõelte tihedus on 6 korda suurem kui DIP-l.

DIP-pakendi struktuurivormide hulka kuuluvad: mitmekihiline keraamiline kaherealine DIP, ühekihiline keraamiline kaherealine DIP, pliiraam DIP (sealhulgas klaaskeraamiline tihendustüüp, plastkapsli struktuuri tüüp, keraamiline madala sulamistemperatuuriga klaaskapseldamine tüüp) jne. DIP-pakendite omadus on see, et sellega saab hõlpsasti teostada PCB-plaatide läbiava keevitamist ja see ühildub hästi emaplaat.

Kuid kuna selle pakendamisala ja paksus on suhteliselt suured ning tihvtid saavad ühendamise ja lahtiühendamise käigus kergesti kahjustada, on töökindlus halb. Samal ajal ei ületa protsessi mõju tõttu tihvtide arv üldiselt 100. Seetõttu on elektroonikatööstuse kõrge integratsiooni protsessis DIP-pakendid järk-järgult ajaloo etapist taandunud.

2. Transistor Outline Package (TO)

Varasemad pakendispetsifikatsioonid, nagu TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251 jne, on kõik pistikprogrammiga pakendikujundused.

TO-3P/247: see on keskmise kõrgepinge ja kõrge vooluga MOSFETide jaoks tavaliselt kasutatav pakkevorm. Tootel on kõrge pingetaluvus ja tugev purunemiskindlus. )

TO-220/220F: TO-220F on täisplastist pakend ja radiaatorile paigaldamisel pole vaja isolatsioonipadja lisada; TO-220-l on keskmise tihvtiga ühendatud metallplekk ja radiaatori paigaldamisel on vajalik isolatsioonipadi. Nende kahe paketistiili MOSFET-id on sarnase välimusega ja neid saab kasutada vaheldumisi. )

TO-251: seda pakendatud toodet kasutatakse peamiselt kulude ja toote suuruse vähendamiseks. Seda kasutatakse peamiselt keskpinge ja kõrge vooluga keskkondades alla 60A ja kõrgepinge alla 7N. )

TO-92: Seda paketti kasutatakse ainult madalpinge MOSFET-i jaoks (vool alla 10A, pinge alla 60V) ja kõrgepinge 1N60/65 jaoks, et vähendada kulusid.

Viimastel aastatel on pistikuga pakkimisprotsessi kõrgete keevituskulude ja plaastri tüüpi toodetega võrreldes kehvema soojuseraldusvõime tõttu nõudlus pindmontaaži turul jätkuvalt kasvanud, mis on viinud ka TO-pakendite väljatöötamiseni. pinnale paigaldatavasse pakendisse.

TO-252 (nimetatakse ka D-PAK-ks) ja TO-263 (D2PAK) on mõlemad pinnale paigaldatavad paketid.

TO pakendi toote välimus

TO252/D-PAK on plastikust kiibipakett, mida kasutatakse tavaliselt toitetransistoride ja pinge stabiliseerivate kiipide pakendamiseks. See on üks praegustest peavoolupakettidest. Seda pakkimismeetodit kasutaval MOSFET-il on kolm elektroodi, värav (G), äravool (D) ja allikas (S). Äravoolutihvt (D) on ära lõigatud ja seda ei kasutata. Selle asemel kasutatakse äravooluna (D) tagaküljel olevat jahutusradiaatorit, mis keevitatakse otse PCB külge. Ühelt poolt kasutatakse seda suurte voolude väljastamiseks ja teisest küljest hajutab see soojust läbi PCB. Seetõttu on PCB-l kolm D-PAK-i ja äravoolu (D) padi on suurem. Selle pakendi spetsifikatsioonid on järgmised:

TO-252/D-PAK pakendi suuruse spetsifikatsioonid

TO-263 on TO-220 variant. See on mõeldud peamiselt tootmise efektiivsuse ja soojuse hajumise parandamiseks. See toetab väga kõrget voolu ja pinget. See on tavalisem keskpinge kõrge vooluga MOSFET-i puhul alla 150A ja üle 30V. Lisaks D2PAK-ile (TO-263AB) sisaldab see ka TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 ja muid stiile, mis on allutatud TO-263-le, seda peamiselt tihvtide erineva arvu ja kauguse tõttu. .

TO-263/D2PAK pakendi suuruse spetsifikatsioonid

TO-263/D2PAK pakendi suuruse spetsifikatsioons

3. Pin grid array pakett (PGA)

PGA (Pin Grid Array Package) kiibi sees ja väljaspool on mitu ruudukujulise massiivi tihvti. Iga ruutmassiivi tihvt paikneb kiibi ümber teatud kaugusel. Olenevalt tihvtide arvust saab sellest moodustada 2 kuni 5 ringi. Paigaldamise ajal lihtsalt sisestage kiip spetsiaalsesse PGA-pessa. Selle eeliseks on lihtne ühendamine ja lahtiühendamine ning kõrge töökindlus ning see suudab kohaneda kõrgemate sagedustega.

PGA paketi stiil

Enamik selle kiibi aluspindadest on valmistatud keraamilisest materjalist ja mõned kasutavad substraadina spetsiaalset plastvaiku. Tehnoloogiliselt on tihvtide keskpunktide kaugus tavaliselt 2,54 mm ja tihvtide arv jääb vahemikku 64 kuni 447. Seda tüüpi pakendite eripäraks on see, et mida väiksem on pakendi pindala (maht), seda väiksem on energiatarve (jõudlus). ) peab vastu ja vastupidi. See kiipide pakkimisstiil oli esimestel päevadel levinum ja seda kasutati enamasti suure energiatarbega toodete (nt protsessorid) pakkimiseks. Näiteks Inteli 80486 ja Pentium kasutavad seda pakkimisstiili; MOSFETi tootjad seda laialdaselt ei kasuta.

4. Väike transistoride pakett (SOT)

SOT (Small Out-Line Transistor) on patch-tüüpi väikese võimsusega transistorpakett, mis sisaldab peamiselt SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (st SOT23-5) jne. SOT323, SOT363/SOT26 (st SOT23-6) ja muud tüübid on tuletatud, mis on väiksema suurusega kui TO-paketid.

SOT-paketi tüüp

SOT23 on tavaliselt kasutatav transistorpakett, millel on kolm tiivakujulist tihvti, nimelt kollektor, emitter ja alus, mis on loetletud komponendi pikema külje mõlemal küljel. Nende hulgas on emitter ja alus samal küljel. Need on levinud väikese võimsusega transistoride, väljatransistoride ja takistivõrkudega komposiittransistoride puhul. Neil on hea tugevus, kuid halb joodetavus. Välimus on näidatud alloleval joonisel (a).

SOT89-l on kolm lühikest tihvti, mis on jaotatud transistori ühel küljel. Teine pool on metallist jahutusradiaator, mis on ühendatud alusega, et suurendada soojuse hajumise võimet. See on levinud ränist võimsusega pindmontaažitransistorides ja sobib suurema võimsusega rakendustele. Välimus on näidatud alloleval joonisel (b). )

SOT143-l on neli lühikest tiivakujulist tihvti, mis juhitakse mõlemalt poolt välja. Tihvti laiem ots on kollektor. Seda tüüpi pakett on levinud kõrgsagedustransistoride puhul ja selle välimus on näidatud alloleval joonisel (c). )

SOT252 on suure võimsusega transistor, millel on kolm viigu ühelt küljelt ja keskmine tihvt on lühem ja on kollektor. Ühendage teises otsas oleva suurema tihvtiga, mis on soojuse hajutamiseks mõeldud vaskleht, ja selle välimus on selline, nagu on näidatud alloleval joonisel (d).

Levinud SOT pakendi välimuse võrdlus

Emaplaatidel kasutatakse tavaliselt nelja terminali SOT-89 MOSFET-i. Selle spetsifikatsioonid ja mõõtmed on järgmised:

SOT-89 MOSFETi suuruse spetsifikatsioonid (ühik: mm)

5. Väike pakett (SOP)

SOP (Small Out-Line Package) on üks pinnale paigaldatavatest pakettidest, mida nimetatakse ka SOL-iks või DFP-ks. Nõelad on välja tõmmatud pakendi mõlemalt küljelt kajaka tiiva kujul (L-kujuline). Materjalid on plastik ja keraamika. SOP-i pakendamisstandardid hõlmavad SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28 jne. SOP-i järel olev number näitab tihvtide arvu. Enamik MOSFET SOP pakette kasutavad SOP-8 spetsifikatsioone. Tööstus jätab sageli "P" välja ja lühendab seda kui SO (Small Out-Line).

SOP-8 pakendi suurus

SO-8 töötas esmakordselt välja PHILIP Company. See on pakendatud plastikusse, sellel pole soojust hajutavat põhjaplaati ja sellel on halb soojuse hajumine. Seda kasutatakse tavaliselt väikese võimsusega MOSFETide jaoks. Hiljem hakati järk-järgult tuletama standardseid spetsifikatsioone nagu TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP) jne; nende hulgas kasutatakse MOSFET-i pakendites tavaliselt TSOP-i ja TSSOP-i.

SOP-st tuletatud spetsifikatsioonid, mida tavaliselt kasutatakse MOSFETide jaoks

6. Quad Flat pakett (QFP)

QFP (Plastic Quad Flat Package) pakendis on kiibi tihvtide vaheline kaugus väga väike ja tihvtid on väga õhukesed. Tavaliselt kasutatakse seda suuremahulistes või ülisuurtes integraallülitustes ning kontaktide arv on üldjuhul üle 100. Sellisel kujul pakendatud kiibid peavad kasutama SMT pindpaigaldustehnoloogiat, et jootmaks kiibi emaplaadi külge. Sellel pakkimismeetodil on neli peamist omadust: ① See sobib SMD pindpaigaldustehnoloogia jaoks juhtmestiku paigaldamiseks PCB trükkplaatidele; ② See sobib kõrgsageduslikuks kasutamiseks; ③ Seda on lihtne kasutada ja sellel on kõrge töökindlus; ④ Kiibi ala ja pakendiala suhe on väike. Sarnaselt PGA pakkimismeetodiga mähib see pakkimismeetod kiibi plastpakendisse ja ei suuda kiibi õigel ajal töötades tekkivat soojust hajutada. See piirab MOSFETi jõudluse parandamist; ja plastpakend ise suurendab seadme suurust, mis ei vasta pooljuhtide kerge, õhukese, lühikese ja väikese suunas arendamise nõuetele. Lisaks põhineb seda tüüpi pakkimismeetod ühel kiibil, mille probleemiks on madal tootmistõhusus ja kõrged pakkimiskulud. Seetõttu sobib QFP rohkem kasutamiseks digitaalse loogika LSI ahelates, nagu mikroprotsessorid/värava massiivid, ning sobib ka analoogsete LSI ahelatoodete, nagu VTR signaalitöötlus ja helisignaali töötlemine, pakendamiseks.

7 、 Neljatasandiline pakett ilma juhtmeteta (QFN)

QFN (Quad Flat Non-leaded package) pakett on varustatud elektroodide kontaktidega kõigil neljal küljel. Kuna juhtmeid pole, on paigaldusala väiksem kui QFP ja kõrgus madalam kui QFP. Nende hulgas nimetatakse keraamilist QFN-i ka LCC-ks (Leadless Chip Carriers) ja odavat plastist QFN-i, mis kasutab klaasist epoksüvaiguga trükitud substraadi alusmaterjali, nimetatakse plastist LCC-ks, PCLC-ks, P-LCC-ks jne. See on arenev pinnale paigaldatav kiibipakend. tehnoloogia, millel on väike padja suurus, väike maht ja tihendusmaterjalina plastik. QFN-i kasutatakse peamiselt integraallülituste pakendamiseks ja MOSFET-i ei kasutata. Kuna Intel pakkus välja integreeritud draiveri ja MOSFET-lahenduse, käivitas ta DrMOS-i QFN-56 paketis ("56" viitab kiibi tagaküljel olevale 56 ühendustihvtile).

Tuleb märkida, et QFN-i paketil on sama väline juhtkonfiguratsioon kui üliõhukesel väikekontuuripaketil (TSSOP), kuid selle suurus on 62% väiksem kui TSSOP-il. QFN-i modelleerimisandmete kohaselt on selle soojustõhusus 55% kõrgem kui TSSOP-pakendil ning elektriline jõudlus (induktiivsus ja mahtuvus) on vastavalt 60% ja 30% kõrgem kui TSSOP-pakendil. Suurim puudus on see, et seda on raske parandada.

DrMOS QFN-56 pakendis

Traditsioonilised diskreetsed alalis-alalisvoolu lülitustoiteallikad ei suuda täita suurema võimsustiheduse nõudeid ega lahendada parasiitparameetrite mõju kõrgetel lülitussagedustel. Tehnoloogia uuenduste ja arenguga on saanud reaalsuseks draiverite ja MOSFET-ide integreerimine mitme kiibiga moodulite ehitamiseks. See integreerimismeetod võib säästa märkimisväärselt ruumi ja suurendada energiatarbimise tihedust. Draiverite ja MOSFET-ide optimeerimise kaudu on see muutunud reaalsuseks. Energiatõhusus ja kvaliteetne alalisvool, see on DrMOS-i integreeritud draiveri IC.

Renesase 2. põlvkonna DrMOS

Pliivaba pakett QFN-56 muudab DrMOS-i soojustakistuse väga madalaks; sisemise juhtmeühenduse ja vaskklambriga saab välist PCB-juhtmestikku minimeerida, vähendades seeläbi induktiivsust ja takistust. Lisaks võib kasutatav süvakanaliga räni MOSFET-protsess oluliselt vähendada ka juhtivuse, lülituse ja paisu laengu kadusid; see ühildub erinevate kontrolleritega, suudab saavutada erinevaid töörežiime ja toetab aktiivse faasi muundamisrežiimi APS (Auto Phase Switching). Lisaks QFN-pakenditele on kahepoolne pliivaba pakkimine (DFN) ka uus elektrooniline pakkimisprotsess, mida on laialdaselt kasutatud ON Semiconductori erinevates komponentides. Võrreldes QFN-iga on DFN-il mõlemal küljel vähem väljavooluelektroode.

8, pliiplastist kiibikandur (PLCC)

PLCC (Plastic Quad Flat Package) on ruudukujuline ja palju väiksem kui DIP-pakett. Sellel on 32 tihvti, mille ümber on tihvtid. Tihvtid juhitakse T-kujuliselt pakendi neljalt küljelt välja. See on plasttoode. Tihvtide keskpunkti kaugus on 1,27 mm ja tihvtide arv on vahemikus 18 kuni 84. J-kujulised tihvtid ei deformeeru kergesti ja neid on lihtsam kasutada kui QFP-d, kuid välimuse kontrollimine pärast keevitamist on keerulisem. PLCC pakend sobib juhtmestiku paigaldamiseks PCB-le SMT pindpaigaldustehnoloogia abil. Selle eeliseks on väike suurus ja kõrge töökindlus. PLCC pakend on suhteliselt levinud ja seda kasutatakse loogika LSI, DLD (või programmiloogika seadme) ja muudes ahelates. Seda pakkimisvormi kasutatakse sageli emaplaadi BIOS-is, kuid MOSFET-ides on see praegu vähem levinud.

Kapseldamine ja täiustamine tavaettevõtetele

Protsessorite madalpinge ja suure voolu arengutrendi tõttu peavad MOSFET-id olema suure väljundvooluga, väikese sisselülitamisega, madala soojuse tekkega, kiire soojuse hajumisega ja väikese suurusega. Lisaks kiibi tootmistehnoloogia ja -protsesside täiustamisele jätkavad MOSFETi tootjad ka pakendamistehnoloogia täiustamist. Tuginedes ühilduvusele standardse välimuse spetsifikatsioonidega, pakuvad nad välja uued pakendikujud ja registreerivad oma väljatöötatavatele uutele pakenditele kaubamärginimed.

1、RENESAS WPAK, LFPAK ja LFPAK-I paketid

WPAK on kõrge soojuskiirgusega pakett, mille on välja töötanud Renesas. D-PAK paketti imiteerides keevitatakse kiibi jahutusradiaator emaplaadi külge ning soojus juhitakse läbi emaplaadi, nii et väikepakett WPAK jõuaks ka D-PAK väljundvooluni. WPAK-D2 sisaldab kahte kõrget/madalat MOSFET-i, et vähendada juhtmestiku induktiivsust.

Renesas WPAK pakendi suurus

LFPAK ja LFPAK-I on veel kaks väikest vormiteguriga paketti, mille on välja töötanud Renesas ja mis ühilduvad SO-8-ga. LFPAK on sarnane D-PAK-iga, kuid väiksem kui D-PAK. LFPAK-i asetab jahutusradiaatori ülespoole, et hajutada soojust läbi jahutusradiaatori.

Renesas LFPAK ja LFPAK-I paketid

2. Vishay Power-PAK ja Polar-PAK pakend

Power-PAK on MOSFET-paketi nimi, mille on registreerinud Vishay Corporation. Power-PAK sisaldab kahte spetsifikatsiooni: Power-PAK1212-8 ja Power-PAK SO-8.

Vishay Power-PAK1212-8 pakend

Vishay Power-PAK SO-8 pakett

Polar PAK on kahepoolse soojuse hajutusega väikepakend ja on üks Vishay põhilisi pakkimistehnoloogiaid. Polar PAK on sama, mis tavaline so-8 pakett. Sellel on hajumispunktid nii pakendi ülemisel kui ka alumisel küljel. Pakendi sees ei ole lihtne soojust koguda ja see võib suurendada töövoolu voolutihedust kahekordseks SO-8-st. Praegu on Vishay litsentsinud Polar PAK-tehnoloogia ettevõttele STMicroelectronics.

Vishay Polar PAK pakend

3. Onsemi SO-8 ja WDFN8 lamedad pliipaketid

ON Semiconductor on välja töötanud kahte tüüpi lamejuhtmeid MOSFET-e, mille hulgas SO-8-ga ühilduvaid lamejuhtmeid kasutavad paljud plaadid. ON Semiconductori äsja turule tulnud NVMx ja NVTx võimsusega MOSFET-id kasutavad juhtivuskadude minimeerimiseks kompaktseid DFN5 (SO-8FL) ja WDFN8 pakette. Sellel on ka madal QG ja mahtuvus, et minimeerida juhikadusid.

ON Semiconductor SO-8 Flat Lead pakett

ON Semiconductor WDFN8 pakett

4. NXP LFPAK ja QLPAK pakend

NXP (endine Philps) on täiustanud SO-8 pakkimistehnoloogiat LFPAK-iks ja QLPAK-iks. Nende hulgas peetakse LFPAK-i kõige töökindlamaks SO-8 võimsuspaketiks maailmas; samas kui QLPAK-il on väikesed mõõtmed ja suurem soojuse hajumise efektiivsus. Võrreldes tavalise SO-8-ga, hõivab QLPAK PCB-plaadi pindala 6 x 5 mm ja selle soojustakistus on 1,5 k/W.

NXP LFPAK pakett

NXP QLPAK pakend

4. ST Semiconductor PowerSO-8 pakett

STMicroelectronicsi power MOSFET kiibi pakkimistehnoloogiate hulka kuuluvad SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK jne. Nende hulgas on Power SO-8 SO-8 täiustatud versioon. Lisaks on PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 ja muud paketid.

STMicroelectronics Power SO-8 pakett

5. Fairchild Semiconductor Power 56 pakett

Power 56 on Farichildi eksklusiivne nimi ja selle ametlik nimi on DFN5×6. Selle pakendamisala on võrreldav tavaliselt kasutatava TSOP-8 omaga ja õhuke pakend säästab komponentide kliirensi kõrgust ning Thermal-Pad disain allosas vähendab soojustakistust. Seetõttu on paljud toiteseadmete tootjad kasutusele võtnud DFN5×6.

Fairchild Power 56 pakett

6. International Rectifier (IR) Direct FET pakett

Direct FET tagab tõhusa ülemise jahutuse SO-8 või väiksema ruumijäljega ning sobib AC-DC ja DC-DC võimsuse muundamise rakendusteks arvutites, sülearvutites, telekommunikatsiooni- ja olmeelektroonikaseadmetes. DirectFET-i metallpurgi konstruktsioon tagab kahepoolse soojuse hajumise, kahekordistades tõhusalt kõrgsageduslike alalis-alalisvoolu muundurite voolukäsitlemisvõimet võrreldes tavaliste plastpakenditega. Direct FET pakett on tagurpidi paigaldatav, äravoolu (D) jahutusradiaator on ülespoole ja kaetud metallkestaga, mille kaudu soojus hajub. Otsene FET-pakendamine parandab oluliselt soojuse hajumist ja võtab hea soojuse hajumisega vähem ruumi.

Tehke kokkuvõte

Tulevikus, kuna elektroonikatööstus areneb jätkuvalt üliõhukese, miniatuurse, madalpinge ja kõrge voolu suunas, muutub ka MOSFETi välimus ja sisemine pakendistruktuur, et paremini kohaneda tootmise arendusvajadustega. tööstusele. Lisaks muutub elektroonikatootjate valikuläve langetamiseks üha ilmsemaks MOSFET-i arendamise suund modulariseerimise ja süsteemi tasemel pakendamise suunas ning tooted arenevad koordineeritult mitmest dimensioonist, nagu jõudlus ja maksumus. . Pakett on MOSFETi valimisel üks olulisi võrdlustegureid. Erinevatel elektroonikatoodetel on erinevad elektrinõuded ja erinevad paigalduskeskkonnad nõuavad ka sobiva suuruse spetsifikatsiooni. Tegeliku valiku puhul tuleks üldpõhimõtte alusel teha otsus tegelike vajaduste järgi. Mõned elektroonilised süsteemid on piiratud PCB suuruse ja sisemise kõrgusega. Näiteks sidesüsteemide moodultoiteallikad kasutavad kõrguspiirangute tõttu tavaliselt pakette DFN5*6 ja DFN3*3; mõnes ACDC toiteallikas sobivad üliõhukesed konstruktsioonid või kestapiirangute tõttu TO220 pakitud võimsusega MOSFETide kokkupanemiseks. Sel ajal saab tihvtid otse juure sisestada, mis ei sobi TO247 pakendatud toodetele; mõned üliõhukesed konstruktsioonid nõuavad seadme tihvtide painutamist ja tasapinnalist paigaldamist, mis muudab MOSFETi valiku keerukamaks.

Kuidas valida MOSFET

Üks insener ütles mulle kord, et ta ei vaadanud kunagi MOSFET-i andmelehe esimest lehekülge, sest "praktiline" teave ilmus alles teisel lehel ja edasi. Peaaegu iga MOSFET-i andmelehe leht sisaldab disaineritele väärtuslikku teavet. Kuid alati pole selge, kuidas tootjate esitatud andmeid tõlgendada.

Selles artiklis kirjeldatakse mõningaid MOSFET-ide põhispetsifikatsioone, kuidas need on andmelehel märgitud, ja nende mõistmiseks vajalik selge pilt. Nagu enamik elektroonikaseadmeid, mõjutab MOSFET-e töötemperatuur. Seega on oluline mõista, millistel katsetingimustel nimetatud näitajaid rakendatakse. Samuti on oluline mõista, kas "Toote tutvustuses" kuvatavad näitajad on "maksimaalsed" või "tüüpilised" väärtused, sest mõned andmelehed ei anna seda selgelt mõista.

Pingeaste

Peamine omadus, mis määrab MOSFETi, on selle äravooluallika pinge VDS ehk "äravooluallika läbilöögipinge", mis on kõrgeim pinge, mida MOSFET suudab kahjustamata vastu pidada, kui pais on allika ja äravooluvooluga lühises. on 250μA. . VDS-i nimetatakse ka "absoluutseks maksimumpingeks temperatuuril 25 °C", kuid on oluline meeles pidada, et see absoluutne pinge sõltub temperatuurist ja andmelehel on tavaliselt "VDS-i temperatuurikoefitsient". Samuti peate mõistma, et maksimaalne VDS on alalispinge pluss kõik vooluringis esineda võivad pinge hüpped ja pulsatsioonid. Näiteks kui kasutate 30V seadet 30V toiteallikal 100mV, 5ns piigiga, ületab pinge seadme absoluutse maksimumi ja seade võib minna laviinirežiimile. Sel juhul ei saa MOSFETi töökindlust tagada. Kõrgetel temperatuuridel võib temperatuurikoefitsient oluliselt muuta läbilöögipinget. Näiteks mõnel N-kanaliga MOSFET-il, mille pinge on 600 V, on positiivne temperatuuritegur. Kui nad lähenevad maksimaalsele ristmikutemperatuurile, põhjustab temperatuuritegur nende MOSFETide käitumist nagu 650 V MOSFET-id. Paljud MOSFET-i kasutajate disainireeglid nõuavad 10% kuni 20% alandamistegurit. Mõne konstruktsiooni puhul, arvestades, et tegelik läbilöögipinge on 5% kuni 10% kõrgem kui nimiväärtus 25 °C juures, lisatakse tegelikule konstruktsioonile vastav kasulik projekteerimisvaru, mis on disainile väga kasulik. MOSFET-ide õige valiku jaoks on sama oluline mõista paisuallika pinge VGS rolli juhtivusprotsessi ajal. See pinge on pinge, mis tagab MOSFET-i täieliku juhtivuse antud maksimaalse RDS(sees) tingimustes. Seetõttu on sisselülitustakistus alati seotud VGS tasemega ja ainult sellel pingel saab seadet sisse lülitada. Oluline konstruktsiooni tagajärg on see, et te ei saa MOSFET-i täielikult sisse lülitada pingega, mis on madalam kui minimaalne VGS, mida kasutatakse RDS(on) reitingu saavutamiseks. Näiteks MOSFET-i täielikuks sisselülitamiseks 3,3 V mikrokontrolleriga peate saama MOSFETi sisse lülitada VGS = 2,5 V või madalamal.

Vastupanu, värava laengud ja "teenete näitaja"

MOSFET-i sisselülitustakistus määratakse alati ühe või mitme paisu-allika pinge juures. Maksimaalne RDS(on) piirmäär võib olla 20% kuni 50% kõrgem kui tüüpiline väärtus. RDS(on) maksimumpiir viitab tavaliselt väärtusele ristmiku temperatuuril 25°C. Kõrgematel temperatuuridel võib RDS(on) suureneda 30% kuni 150%, nagu on näidatud joonisel 1. Kuna RDS(on) muutub koos temperatuuriga ja minimaalset takistuse väärtust ei saa garanteerida, ei ole voolu tuvastamine RDS(on) põhjal väga täpne meetod.

RDS(on) suureneb temperatuuriga vahemikus 30% kuni 150% maksimaalsest töötemperatuurist

Joonis 1 RDS(sees) suureneb temperatuuriga vahemikus 30% kuni 150% maksimaalsest töötemperatuurist

Sisselülitus on väga oluline nii N-kanaliga kui ka P-kanaliga MOSFETide jaoks. Lülitustoiteallikate puhul on Qg peamine valikukriteerium N-kanaliga MOSFET-ide jaoks, mida kasutatakse lülitustoiteallikate puhul, kuna Qg mõjutab lülituskadusid. Nendel kadudel on kaks mõju: üks on lülitusaeg, mis mõjutab MOSFET-i sisse ja välja; teine on energia, mis on vajalik paisu mahtuvuse laadimiseks iga lülitusprotsessi ajal. Üks asi, mida meeles pidada, on see, et Qg sõltub paisuallika pingest, isegi kui madalama Vgs kasutamine vähendab lülituskadusid. Lülitusrakendustes kasutamiseks mõeldud MOSFETide võrdlemiseks kasutavad disainerid sageli ainsusvalemit, mis koosneb RDS(on) juhtivuskadude jaoks ja Qg lülituskadude jaoks: RDS(on)xQg. See "teenete arv" (FOM) võtab kokku seadme jõudluse ja võimaldab võrrelda MOSFET-e tüüpiliste või maksimaalsete väärtuste alusel. Seadmete täpse võrdluse tagamiseks peate veenduma, et RDS(on) ja Qg jaoks kasutatakse sama VGS-i ning et väljaandes ei seguneks tüüpilised ja maksimaalsed väärtused. Madalam FOM annab teile parema jõudluse rakenduste vahetamisel, kuid see pole garanteeritud. Parimad võrdlustulemused on võimalik saada ainult tegelikus vooluringis ja mõnel juhul võib olla vaja vooluahelat iga MOSFET-i jaoks peenhäälestada. Nimivool ja võimsuse hajumine, olenevalt erinevatest katsetingimustest, on enamikul MOSFETidel andmelehel üks või mitu pidevat äravooluvoolu. Soovite andmelehte hoolikalt vaadata, et välja selgitada, kas nimiväärtus on määratud korpuse temperatuuril (nt TC=25 °C) või ümbritseval temperatuuril (nt TA=25 °C). Milline neist väärtustest on kõige asjakohasem, sõltub seadme omadustest ja rakendusest (vt joonis 2).

Joonis 2 Kõik absoluutsed maksimaalsed voolu- ja võimsusväärtused on tegelikud andmed

Pihuseadmetes kasutatavate väikeste pinnale paigaldatavate seadmete puhul võib kõige asjakohasem voolutase olla 70 °C ümbritseva õhu temperatuur. Suurte jahutusradiaatorite ja sundõhujahutusega seadmete puhul võib voolutase TA=25 ℃ olla tegelikule olukorrale lähemal. Mõne seadme puhul suudab stants oma maksimaalsel ristmikutemperatuuril taluda rohkem voolu, kui pakendis on lubatud. Mõnel andmelehel on see "piiratud" voolutase lisateave "paketiga piiratud" voolutasemele, mis võib anda teile aimu stantsi vastupidavusest. Sarnased kaalutlused kehtivad pideva võimsuse hajumise kohta, mis ei sõltu ainult temperatuurist, vaid ka ajast. Kujutage ette seadet, mis töötab pidevalt PD = 4 W juures 10 sekundit temperatuuril TA = 70 ℃. "Pidev" ajaperiood sõltub MOSFET-i paketist, seega peaksite kasutama andmelehe normaliseeritud termilise siirdetakistuse graafikut, et näha, milline näeb välja võimsuse hajumine 10 sekundi, 100 sekundi või 10 minuti pärast. . Nagu on näidatud joonisel 3, on selle spetsiaalse seadme soojustakistustegur pärast 10-sekundilist impulssi ligikaudu 0,33, mis tähendab, et kui pakett saavutab ligikaudu 10 minuti pärast soojusküllastuse, on seadme soojuseraldusvõime 4 W asemel vaid 1,33 W. . Kuigi hea jahutuse korral võib seadme soojuseraldusvõime ulatuda umbes 2W-ni.

Joonis 3 MOSFETi soojustakistus toiteimpulsi rakendamisel

Tegelikult saame MOSFETi valimise jagada neljaks etapiks.

Esimene samm: valige N kanal või P kanal

Esimene samm oma disaini jaoks sobiva seadme valimisel on otsustamine, kas kasutada N- või P-kanaliga MOSFET-i. Tüüpilises toiterakenduses, kui MOSFET on ühendatud maandusega ja koormus on ühendatud võrgupingega, moodustab MOSFET madala külje lüliti. Madala külje lüliti puhul tuleks seadme välja- või sisselülitamiseks vajaliku pinge tõttu kasutada N-kanaliga MOSFET-e. Kui MOSFET on ühendatud siiniga ja koormus maandusega, kasutatakse kõrge külje lülitit. Tavaliselt kasutatakse selles topoloogias P-kanaliga MOSFETe, mis on samuti tingitud pingeajami kaalutlustest. Oma rakenduse jaoks sobiva seadme valimiseks peate määrama seadme käitamiseks vajaliku pinge ja lihtsaima viisi selle tegemiseks. Järgmine samm on määrata kindlaks vajalik nimipinge ehk maksimaalne pinge, mida seade talub. Mida kõrgem on pinge, seda kõrgem on seadme maksumus. Praktiliste kogemuste kohaselt peaks nimipinge olema suurem kui võrgu või siini pinge. See tagab piisava kaitse, nii et MOSFET ei tõrguks. MOSFET-i valimisel on vaja kindlaks määrata maksimaalne pinge, mida saab äravoolust allikani taluda, see tähendab maksimaalne VDS. Oluline on teada, et MOSFETi maksimaalne pinge talub temperatuuri muutusi. Projekteerijad peavad testima pingekõikumisi kogu töötemperatuuri vahemikus. Nimipingel peab olema piisavalt varu, et katta see kõikumine, et tagada vooluringi rikete vältimine. Muud ohutustegurid, mida projekteerimisinsenerid peavad arvestama, hõlmavad elektroonikalülitustest, nagu mootorid või trafod, põhjustatud pingesiirdeid. Nimipinged on erinevates rakendustes erinevad; tavaliselt 20 V kaasaskantavate seadmete jaoks, 20-30 V FPGA toiteallikate jaoks ja 450-600 V 85-220 VAC rakenduste jaoks.

2. samm: määrake nimivool

Teine samm on MOSFETi praeguse reitingu valimine. Sõltuvalt vooluahela konfiguratsioonist peaks see nimivool olema maksimaalne vool, mida koormus võib igal juhul vastu pidada. Sarnaselt pingeolukorrale peab projekteerija tagama, et valitud MOSFET talub seda nimivoolu isegi siis, kui süsteem tekitab voolu hüppeid. Vaadeldavaks kaheks voolutingimuseks on pidev režiim ja impulss. Pideva juhtivuse režiimis on MOSFET püsiolekus, kus vool liigub pidevalt läbi seadme. Impulsi nael viitab seadme kaudu voolavale suurele tõusule (või piigivoolule). Kui maksimaalne vool nendes tingimustes on kindlaks määratud, tuleb lihtsalt valida seade, mis suudab seda maksimaalset voolu taluda. Peale nimivoolu valimist tuleb välja arvutada ka juhtivuskadu. Tegelikes olukordades ei ole MOSFET ideaalne seade, kuna juhtivusprotsessis esineb elektrienergia kadu, mida nimetatakse juhtivuskadudeks. MOSFET käitub sisselülitamisel nagu muutuv takisti, mille määrab seadme RDS(ON) ja see muutub temperatuuriga oluliselt. Seadme võimsuskadu saab arvutada Iload2×RDS(ON) abil. Kuna sisselülitatud takistus muutub koos temperatuuriga, muutub proportsionaalselt ka võimsuskadu. Mida kõrgem on MOSFET-ile rakendatav pinge VGS, seda väiksem on RDS(ON); vastupidi, seda kõrgem on RDS(ON). Süsteemi kujundaja jaoks tulevad siin kompromissid sõltuvalt süsteemi pingest. Kaasaskantavate konstruktsioonide puhul on lihtsam (ja levinum) kasutada madalamaid pingeid, tööstusdisainilahenduste puhul aga kõrgemaid pingeid. Pange tähele, et RDS(ON) takistus tõuseb vooluga veidi. RDS(ON) takisti erinevate elektriliste parameetrite erinevused leiate tootja antud tehniliste andmete lehelt. Tehnoloogial on oluline mõju seadme omadustele, sest mõned tehnoloogiad kipuvad suurendama RDS(ON) väärtust maksimaalse VDS-i suurendamisel. Sellise tehnoloogia puhul, kui kavatsete VDS-i ja RDS(ON) vähendada, peate suurendama kiibi suurust, suurendades sellega sobivat paketi suurust ja sellega seotud arenduskulusid. Tööstuses on mitmeid tehnoloogiaid, mis püüavad kontrollida kiibi suuruse kasvu, millest olulisemad on kanalite ja laengute tasakaalustamise tehnoloogiad. Kaevikutehnoloogias on plaadi sisse sügav kaevik, mis on tavaliselt reserveeritud madalpinge jaoks, et vähendada sisselülitatud takistust RDS(ON). Maksimaalse VDS-i mõju vähendamiseks RDS(ON)-le kasutati arendusprotsessi ajal epitaksiaalset kasvukolonni/söövituskolonni protsessi. Näiteks Fairchild Semiconductor on välja töötanud tehnoloogia nimega SuperFET, mis lisab RDS(ON) vähendamiseks täiendavaid tootmisetappe. See keskendumine RDS(ON)-le on oluline, sest kui standardse MOSFET-i läbilöögipinge suureneb, suureneb RDS(ON) eksponentsiaalselt ja see toob kaasa stantsi suuruse suurenemise. SuperFET-protsess muudab eksponentsiaalse suhte RDS(ON) ja vahvli suuruse vahel lineaarseks suhteks. Sel viisil suudavad SuperFET-seadmed saavutada ideaalse madala RDS(ON) väikese stantsi suuruse isegi kuni 600 V rikkepinge korral. Tulemuseks on see, et vahvli suurust saab vähendada kuni 35%. Lõppkasutajatele tähendab see pakendi suuruse olulist vähenemist.

Kolmas samm: määrake soojusvajadused

Järgmine samm MOSFET-i valimisel on süsteemi soojusvajaduste arvutamine. Disainerid peavad arvestama kahe erineva stsenaariumiga, halvima stsenaariumiga ja reaalse maailma stsenaariumiga. Soovitatav on kasutada halvima juhtumi arvutustulemust, sest see tulemus annab suurema ohutusvaru ja tagab, et süsteem ei tõrju. MOSFET-i andmelehel on ka mõned mõõtmisandmed, mis vajavad tähelepanu; nagu soojustakistus pakendatud seadme pooljuhtühenduse ja keskkonna vahel ning ühenduskoha maksimaalne temperatuur. Seadme ühendustemperatuur võrdub maksimaalse ümbritseva õhu temperatuuriga, millele on lisatud soojustakistuse ja võimsuse hajumise korrutis (ühenduse temperatuur = maksimaalne ümbritseva õhu temperatuur + [soojustakistus × võimsuse hajumine]). Selle võrrandi järgi saab lahendada süsteemi maksimaalse võimsuse hajumise, mis on definitsiooni järgi võrdne I2×RDS(ON). Kuna projekteerija on määranud maksimaalse voolu, mis seadet läbib, saab RDS(ON) arvutada erinevatel temperatuuridel. Väärib märkimist, et lihtsate soojusmudelite käsitlemisel peavad projekteerijad arvestama ka pooljuhtide ristmiku/seadme korpuse ja korpuse/keskkonna soojusmahtuvust; see eeldab, et trükkplaat ja pakett ei kuumeneks kohe. Laviini purunemine tähendab seda, et pooljuhtseadme pöördpinge ületab maksimumväärtuse ja moodustab seadme voolu suurendamiseks tugeva elektrivälja. See vool hajutab võimsust, tõstab seadme temperatuuri ja võib-olla kahjustab seadet. Pooljuhtide ettevõtted viivad läbi seadmete laviiniteste, arvutavad nende laviinipinge või testivad seadme töökindlust. Laviini nimipinge arvutamiseks on kaks meetodit; üks on statistiline meetod ja teine termiline arvutus. Soojusarvutust kasutatakse laialdaselt, kuna see on praktilisem. Paljud ettevõtted on esitanud üksikasjad oma seadmete testimise kohta. Näiteks Fairchild Semiconductor pakub "Power MOSFET Avalanche Guidelines" (Power MOSFET Avalanche Guidelines - saab alla laadida Fairchildi veebisaidilt). Lisaks andmetöötlusele on laviiniefektile suur mõju ka tehnoloogial. Näiteks matriitsi suuruse suurenemine suurendab laviinikindlust ja lõpuks suurendab seadme töökindlust. Lõppkasutajate jaoks tähendab see suuremate pakettide kasutamist süsteemis.

4. samm: määrake lüliti jõudlus

MOSFET-i valimise viimane samm on MOSFET-i lülitusjõudluse määramine. Lülituse jõudlust mõjutavad paljud parameetrid, kuid kõige olulisemad on värav/äravool, värav/allikas ja äravoolu/allika mahtuvus. Need kondensaatorid tekitavad seadmes lülituskadusid, kuna neid laetakse iga kord, kui nad lülituvad. Seetõttu väheneb MOSFET-i lülituskiirus ja väheneb ka seadme efektiivsus. Seadme kogukadude arvutamiseks lülitamise ajal peab projekteerija arvutama kaod sisselülitamisel (Eon) ja kaod väljalülitamisel (Eoff). MOSFET-lüliti koguvõimsust saab väljendada järgmise võrrandiga: Psw=(Eon+Eoff)×lülitussagedus. Värava laengul (Qgd) on suurim mõju lülitusvõimele. Lähtudes lülitusvõime olulisusest, töötatakse selle ümberlülitusprobleemi lahendamiseks pidevalt välja uusi tehnoloogiaid. Kiibi suuruse suurendamine suurendab värava laengut; see suurendab seadme suurust. Lülituskadude vähendamiseks on välja töötatud uued tehnoloogiad, näiteks kanali paksu põhjaga oksüdatsioon, mille eesmärk on vähendada värava laengut. Näiteks võib uus tehnoloogia SuperFET minimeerida juhtivuskadusid ja parandada lülitusjõudlust, vähendades RDS-i (ON) ja värava laengut (Qg). Sel moel saavad MOSFET-id ümberlülitamise ajal toime kiirete pingesiirde (dv/dt) ja voolusiirdejuhtumitega (di/dt) ning võivad isegi töökindlalt töötada kõrgematel lülitussagedustel.