MOSFET-i bir məqalədə anlayın

Şəkil 3 Güc impulsu tətbiq edildikdə MOSFET-in istilik müqaviməti

Əslində, MOSFET-in necə seçiləcəyini dörd addıma bölmək olar.

İlk addım: N kanalı və ya P kanalını seçin

Dizaynınız üçün düzgün cihazı seçməkdə ilk addım N-kanal və ya P-kanal MOSFET-dən istifadə edib-etməmək barədə qərar verməkdir. Tipik bir güc tətbiqində, bir MOSFET yerə qoşulduqda və yük şəbəkə gərginliyinə qoşulduqda, MOSFET aşağı tərəf açarını təşkil edir. Aşağı tərəfdəki açarda cihazı söndürmək və ya açmaq üçün tələb olunan gərginlik nəzərə alınmaqla N-kanallı MOSFET-lərdən istifadə edilməlidir. MOSFET avtobusa qoşulduqda və yerə yükləndikdə, yüksək yan keçid istifadə olunur. P-kanallı MOSFET-lər adətən bu topologiyada istifadə olunur ki, bu da gərginlik sürücüsünün mülahizələri ilə bağlıdır. Tətbiqiniz üçün düzgün cihazı seçmək üçün cihazı idarə etmək üçün tələb olunan gərginliyi və dizaynınızda bunu etməyin ən asan yolunu müəyyən etməlisiniz. Növbəti addım tələb olunan gərginlik dərəcəsini və ya cihazın dözə biləcəyi maksimum gərginliyi müəyyən etməkdir. Gərginlik dərəcəsi nə qədər yüksək olsa, cihazın qiyməti bir o qədər yüksəkdir. Praktik təcrübəyə əsasən, nominal gərginlik şəbəkənin gərginliyindən və ya avtobusun gərginliyindən çox olmalıdır. Bu, MOSFET-in uğursuz olması üçün kifayət qədər qorunma təmin edəcəkdir. MOSFET seçərkən, drenajdan mənbəyə qədər dözə bilən maksimum gərginliyi, yəni maksimum VDS-i müəyyən etmək lazımdır. MOSFET-in maksimum gərginliyinin temperaturun dəyişməsinə tab gətirə biləcəyini bilmək vacibdir. Dizaynerlər bütün işləmə temperaturu diapazonunda gərginlik dəyişikliklərini sınaqdan keçirməlidirlər. Dövrənin sıradan çıxmamasını təmin etmək üçün nominal gərginlik bu dəyişmə diapazonunu əhatə etmək üçün kifayət qədər marjaya malik olmalıdır. Dizayn mühəndislərinin nəzərə almalı olduğu digər təhlükəsizlik amillərinə mühərriklər və ya transformatorlar kimi elektronikanın dəyişdirilməsi nəticəsində yaranan gərginlik keçidləri daxildir. Nominal gərginliklər müxtəlif tətbiqlər üçün dəyişir; adətən portativ qurğular üçün 20V, FPGA enerji təchizatı üçün 20-30V və 85-220VAC tətbiqləri üçün 450-600V.

Addım 2: Nominal cərəyanı təyin edin

İkinci addım MOSFET-in cari reytinqini seçməkdir. Dövrə konfiqurasiyasından asılı olaraq, bu nominal cərəyan yükün bütün şəraitdə dayana biləcəyi maksimum cərəyan olmalıdır. Gərginlik vəziyyətinə bənzər şəkildə, dizayner seçilmiş MOSFET-in sistem cərəyan sıçrayışları yaratdıqda belə, bu cari reytinqə tab gətirə biləcəyini təmin etməlidir. Nəzərə alınan iki cari şərt davamlı rejim və nəbz sıçrayışıdır. Davamlı keçirmə rejimində MOSFET sabit vəziyyətdədir, burada cərəyan davamlı olaraq cihazdan axır. Nəbz sıçrayışı cihazdan axan böyük bir dalğalanmaya (və ya sünbül cərəyanına) aiddir. Bu şərtlər altında maksimum cərəyan müəyyən edildikdən sonra, sadəcə olaraq, bu maksimum cərəyanı idarə edə biləcək bir cihazı seçmək məsələsidir. Nominal cərəyanı seçdikdən sonra keçiricilik itkisi də hesablanmalıdır. Faktiki vəziyyətlərdə MOSFET ideal bir cihaz deyil, çünki keçirmə prosesi zamanı elektrik enerjisi itkisi olur, buna keçirmə itkisi deyilir. MOSFET, cihazın RDS(ON) tərəfindən təyin olunan və temperaturla əhəmiyyətli dərəcədə dəyişən "on" olduqda dəyişən rezistor kimi davranır. Cihazın enerji itkisi Iload2×RDS(ON) ilə hesablana bilər. Müqavimət temperaturla dəyişdiyindən, güc itkisi də mütənasib olaraq dəyişəcək. MOSFET-ə tətbiq edilən VGS gərginliyi nə qədər yüksək olsa, RDS(ON) bir o qədər kiçik olacaq; əksinə, RDS(ON) nə qədər yüksək olacaq. Sistem konstruktoru üçün sistem gərginliyindən asılı olaraq güzəştlərin gəldiyi yer budur. Portativ dizaynlar üçün daha aşağı gərginliklərdən istifadə etmək daha asandır (və daha çox yayılmışdır), sənaye nümunələri üçün isə daha yüksək gərginliklərdən istifadə etmək olar. Qeyd edək ki, RDS(ON) müqaviməti cərəyanla bir qədər yüksələcək. RDS(ON) rezistorunun müxtəlif elektrik parametrlərindəki dəyişikliklər istehsalçı tərəfindən təqdim olunan texniki məlumat vərəqində tapıla bilər. Texnologiya cihazın xüsusiyyətlərinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir, çünki bəzi texnologiyalar maksimum VDS artırarkən RDS(ON) səviyyəsini artırır. Belə bir texnologiya üçün VDS və RDS(ON) azaltmaq niyyətindəsinizsə, çip ölçüsünü artırmalı və bununla da uyğun paket ölçüsünü və əlaqədar inkişaf xərclərini artırmalısınız. Sənayedə çip ölçüsünün artmasına nəzarət etməyə çalışan bir neçə texnologiya var, bunlardan ən vacibi kanal və yük balanslaşdırma texnologiyalarıdır. Xəndək texnologiyasında on-müqavimət RDS (ON) azaltmaq üçün adətən aşağı gərginliklər üçün qorunur, vafli dərin xəndək daxil edilir. Maksimum VDS-nin RDS(ON)-a təsirini azaltmaq üçün inkişaf prosesində epitaksial böyümə sütunu/aşındırma sütunu prosesindən istifadə edilmişdir. Məsələn, Fairchild Semiconductor şirkəti RDS(ON) azaldılması üçün əlavə istehsal addımları əlavə edən SuperFET adlı texnologiya hazırlamışdır. RDS(ON) üzərindəki bu diqqət vacibdir, çünki standart MOSFET-in qırılma gərginliyi artdıqca, RDS(ON) eksponent olaraq artır və kalıp ölçüsünün artmasına səbəb olur. SuperFET prosesi RDS(ON) və vafli ölçüsü arasındakı eksponensial əlaqəni xətti əlaqəyə çevirir. Bu yolla, SuperFET cihazları, hətta 600V-a qədər qırılma gərginliyi ilə belə, kiçik kalıp ölçülərində ideal aşağı RDS(ON) əldə edə bilər. Nəticədə vafli ölçüsü 35%-ə qədər azaldıla bilər. Son istifadəçilər üçün bu, paket ölçüsünün əhəmiyyətli dərəcədə azalması deməkdir.

Üçüncü addım: İstilik tələblərini müəyyənləşdirin

MOSFET seçimində növbəti addım sistemin istilik tələblərini hesablamaqdır. Dizaynerlər iki fərqli ssenarini, ən pis vəziyyət ssenarisini və real dünya ssenarisini nəzərdən keçirməlidirlər. Ən pis halda hesablama nəticəsindən istifadə etmək tövsiyə olunur, çünki bu nəticə daha böyük təhlükəsizlik marjası təmin edir və sistemin sıradan çıxmamasını təmin edir. MOSFET məlumat vərəqində diqqət tələb edən bəzi ölçmə məlumatları da var; qablaşdırılmış cihazın yarımkeçirici qovşağı ilə ətraf mühit arasında istilik müqaviməti və maksimum birləşmə temperaturu kimi. Cihazın birləşmə temperaturu ətraf mühitin maksimum temperaturu üstəgəl istilik müqavimətinin və enerjinin yayılmasının məhsuluna bərabərdir (qovşağın temperaturu = maksimum ətraf mühitin temperaturu + [istilik müqaviməti × enerjinin yayılması]). Bu tənliyə görə sistemin maksimum güc itkisi həll edilə bilər ki, bu da tərifinə görə I2×RDS(ON)-a bərabərdir. Dizayner cihazdan keçəcək maksimum cərəyanı təyin etdiyi üçün RDS(ON) müxtəlif temperaturlarda hesablana bilər. Qeyd etmək lazımdır ki, sadə istilik modelləri ilə məşğul olan zaman dizaynerlər yarımkeçirici qovşağının/cihazın korpusunun və korpusun/mühitin istilik tutumunu da nəzərə almalıdırlar; bu, çap dövrə lövhəsinin və paketin dərhal qızmamasını tələb edir. Uçqun parçalanması yarımkeçirici cihazda əks gərginliyin maksimum dəyəri aşması və cihazda cərəyanı artırmaq üçün güclü elektrik sahəsi meydana gətirməsi deməkdir. Bu cərəyan gücü sərf edəcək, cihazın temperaturunu artıracaq və ola bilsin ki, cihazı zədələyəcək. Yarımkeçirici şirkətlər cihazlarda uçqun sınağı keçirəcək, onların uçqun gərginliyini hesablayacaq və ya cihazın möhkəmliyini yoxlayacaq. Nominal uçqun gərginliyini hesablamaq üçün iki üsul var; biri statistik üsul, digəri isə istilik hesablamasıdır. Termal hesablama daha praktik olduğu üçün geniş istifadə olunur. Bir çox şirkətlər öz cihazlarının sınaqlarının təfərrüatlarını təqdim ediblər. Məsələn, Fairchild Semiconductor "Power MOSFET Avalanche Guidelines" təmin edir (Power MOSFET Avalanche Guidelines-Fairchild veb saytından endirilə bilər). Hesablama ilə yanaşı, texnologiyanın da uçqun effektinə böyük təsiri var. Məsələn, kalıp ölçüsünün artması uçqun müqavimətini artırır və nəticədə cihazın möhkəmliyini artırır. Son istifadəçilər üçün bu, sistemdə daha böyük paketlərdən istifadə etmək deməkdir.

Addım 4: Keçidin performansını təyin edin

MOSFET seçimində son addım MOSFET-in keçid performansını müəyyən etməkdir. Kommutasiya performansına təsir edən bir çox parametr var, lakin ən vacibləri qapı/drenaj, qapı/mənbə və drenaj/mənbə tutumudur. Bu kondansatörlər cihazda keçid itkiləri yaradır, çünki onlar hər dəfə keçid zamanı doldurulurlar. Beləliklə, MOSFET-in keçid sürəti azalır və cihazın səmərəliliyi də azalır. Kommutasiya zamanı cihazda ümumi itkiləri hesablamaq üçün konstruktor işə salma (Eon) zamanı itkiləri və söndürmə zamanı itkiləri (Eoff) hesablamalıdır. MOSFET açarının ümumi gücünü aşağıdakı tənlik ilə ifadə etmək olar: Psw=(Eon+Eoff)×keçid tezliyi. Qapı yükü (Qgd) keçid performansına ən çox təsir göstərir. Kommutasiya performansının vacibliyinə əsaslanaraq, bu kommutasiya problemini həll etmək üçün daim yeni texnologiyalar hazırlanır. Çip ölçüsünün artırılması darvaza yükünü artırır; bu cihazın ölçüsünü artırır. Kommutasiya itkilərini azaltmaq üçün qapının yükünü azaltmağı hədəfləyən kanal qalın dibinin oksidləşməsi kimi yeni texnologiyalar ortaya çıxdı. Məsələn, yeni texnologiya SuperFET keçiricilik itkilərini minimuma endirə və RDS(ON) və qapı yükünü (Qg) azaltmaqla keçid performansını yaxşılaşdıra bilər. Bu yolla MOSFET-lər keçid zamanı yüksək sürətli gərginlik keçidlərinin (dv/dt) və cərəyan keçidlərinin (di/dt) öhdəsindən gələ bilir və hətta daha yüksək keçid tezliklərində etibarlı şəkildə işləyə bilirlər.