MOSFET in einem Artikel verstehen

Abbildung 3 Wärmewiderstand des MOSFET bei angelegtem Leistungsimpuls

Tatsächlich können wir die Auswahl eines MOSFET in vier Schritte unterteilen.

Der erste Schritt: Wählen Sie N-Kanal oder P-Kanal

Der erste Schritt bei der Auswahl des richtigen Geräts für Ihr Design ist die Entscheidung, ob Sie einen N-Kanal- oder P-Kanal-MOSFET verwenden möchten. Wenn in einer typischen Leistungsanwendung ein MOSFET mit Masse verbunden ist und die Last an die Netzspannung angeschlossen ist, bildet der MOSFET den Low-Side-Schalter. Im Low-Side-Schalter sollten N-Kanal-MOSFETs verwendet werden, da die zum Ein- und Ausschalten des Geräts erforderliche Spannung berücksichtigt werden muss. Wenn der MOSFET mit dem Bus und der Last mit Masse verbunden ist, wird ein High-Side-Schalter verwendet. In dieser Topologie werden üblicherweise P-Kanal-MOSFETs verwendet, was auch auf Überlegungen zur Spannungssteuerung zurückzuführen ist. Um das richtige Gerät für Ihre Anwendung auszuwählen, müssen Sie die zum Betrieb des Geräts erforderliche Spannung und die einfachste Möglichkeit ermitteln, dies in Ihrem Design zu erreichen. Der nächste Schritt besteht darin, die erforderliche Nennspannung oder die maximale Spannung zu bestimmen, der das Gerät standhalten kann. Je höher die Nennspannung, desto höher sind die Kosten des Geräts. Erfahrungsgemäß sollte die Nennspannung größer sein als die Netzspannung bzw. Busspannung. Dadurch wird ein ausreichender Schutz gewährleistet, sodass der MOSFET nicht ausfällt. Bei der Auswahl eines MOSFET muss die maximale Spannung bestimmt werden, die vom Drain zur Source toleriert werden kann, also der maximale VDS. Es ist wichtig zu wissen, dass sich die maximale Spannung, die ein MOSFET mit der Temperatur ändert, aushalten kann. Entwickler müssen Spannungsschwankungen über den gesamten Betriebstemperaturbereich testen. Die Nennspannung muss genügend Spielraum haben, um diesen Schwankungsbereich abzudecken, um sicherzustellen, dass der Stromkreis nicht ausfällt. Zu den weiteren Sicherheitsfaktoren, die Konstrukteure berücksichtigen müssen, gehören Spannungstransienten, die durch Schaltelektronik wie Motoren oder Transformatoren verursacht werden. Die Nennspannungen variieren je nach Anwendung; typischerweise 20 V für tragbare Geräte, 20–30 V für FPGA-Netzteile und 450–600 V für 85–220 VAC-Anwendungen.

Schritt 2: Bestimmen Sie den Nennstrom

Der zweite Schritt besteht darin, die aktuelle Nennleistung des MOSFET auszuwählen. Abhängig von der Schaltungskonfiguration sollte dieser Nennstrom der maximale Strom sein, dem die Last unter allen Umständen standhalten kann. Ähnlich wie bei der Spannungssituation muss der Entwickler sicherstellen, dass der ausgewählte MOSFET diesem Nennstrom standhält, selbst wenn das System Stromspitzen erzeugt. Die beiden berücksichtigten Strombedingungen sind der kontinuierliche Modus und die Impulsspitze. Im kontinuierlichen Leitungsmodus befindet sich der MOSFET in einem stationären Zustand, in dem kontinuierlich Strom durch das Gerät fließt. Eine Impulsspitze bezieht sich auf einen großen Stromstoß (oder Spitzenstrom), der durch das Gerät fließt. Sobald der maximale Strom unter diesen Bedingungen ermittelt ist, muss nur noch ein Gerät ausgewählt werden, das diesen maximalen Strom verarbeiten kann. Nach der Auswahl des Nennstroms muss auch der Leitungsverlust berechnet werden. In tatsächlichen Situationen ist ein MOSFET kein ideales Gerät, da es während des Leitungsprozesses zu einem elektrischen Energieverlust kommt, der als Leitungsverlust bezeichnet wird. Ein MOSFET verhält sich im eingeschalteten Zustand wie ein variabler Widerstand, der durch den RDS(ON) des Geräts bestimmt wird und sich erheblich mit der Temperatur ändert. Die Verlustleistung des Gerätes kann durch Iload2×RDS(ON) berechnet werden. Da sich der Einschaltwiderstand mit der Temperatur ändert, ändert sich auch die Verlustleistung proportional. Je höher die an den MOSFET angelegte Spannung VGS ist, desto kleiner ist RDS(ON); umgekehrt, desto höher ist der RDS(ON). Für den Systemdesigner kommen hier die Kompromisse je nach Systemspannung ins Spiel. Bei tragbaren Designs ist es einfacher (und häufiger), niedrigere Spannungen zu verwenden, während bei Industriedesigns höhere Spannungen verwendet werden können. Beachten Sie, dass der RDS(ON)-Widerstand mit dem Strom leicht ansteigt. Variationen verschiedener elektrischer Parameter des RDS(ON)-Widerstands finden Sie im technischen Datenblatt des Herstellers. Die Technologie hat einen erheblichen Einfluss auf die Geräteeigenschaften, da einige Technologien dazu neigen, RDS(ON) zu erhöhen, wenn der maximale VDS erhöht wird. Wenn Sie bei einer solchen Technologie VDS und RDS(ON) reduzieren möchten, müssen Sie die Chipgröße erhöhen, wodurch die entsprechende Paketgröße und die damit verbundenen Entwicklungskosten steigen. In der Branche gibt es mehrere Technologien, die versuchen, die Zunahme der Chipgröße zu kontrollieren. Die wichtigsten davon sind Kanal- und Ladungsausgleichstechnologien. Bei der Trench-Technologie wird ein tiefer Graben in den Wafer eingebettet, der normalerweise für niedrige Spannungen reserviert ist, um den Einschaltwiderstand RDS(ON) zu reduzieren. Um den Einfluss des maximalen VDS auf RDS(ON) zu reduzieren, wurde während des Entwicklungsprozesses ein epitaktisches Wachstumssäulen-/Ätzsäulenverfahren verwendet. Fairchild Semiconductor hat beispielsweise eine Technologie namens SuperFET entwickelt, die zusätzliche Herstellungsschritte zur RDS(ON)-Reduzierung hinzufügt. Dieser Fokus auf RDS(ON) ist wichtig, da RDS(ON) mit zunehmender Durchbruchspannung eines Standard-MOSFET exponentiell zunimmt und zu einer Vergrößerung der Chipgröße führt. Der SuperFET-Prozess verändert die exponentielle Beziehung zwischen RDS(ON) und Wafergröße in eine lineare Beziehung. Auf diese Weise können SuperFET-Geräte einen ideal niedrigen RDS(ON) bei kleinen Chipgrößen erreichen, selbst bei Durchbruchspannungen von bis zu 600 V. Das Ergebnis ist, dass die Wafergröße um bis zu 35 % reduziert werden kann. Für Endverbraucher bedeutet dies eine deutliche Reduzierung der Paketgröße.

Schritt drei: Bestimmen Sie die thermischen Anforderungen

Der nächste Schritt bei der Auswahl eines MOSFET besteht in der Berechnung der thermischen Anforderungen des Systems. Designer müssen zwei verschiedene Szenarien berücksichtigen: das Worst-Case-Szenario und das reale Szenario. Es wird empfohlen, das Worst-Case-Berechnungsergebnis zu verwenden, da dieses Ergebnis eine größere Sicherheitsmarge bietet und sicherstellt, dass das System nicht ausfällt. Es gibt auch einige Messdaten, die im MOSFET-Datenblatt beachtet werden müssen; B. der Wärmewiderstand zwischen dem Halbleiterübergang des verpackten Geräts und der Umgebung sowie die maximale Übergangstemperatur. Die Sperrschichttemperatur des Geräts entspricht der maximalen Umgebungstemperatur plus dem Produkt aus Wärmewiderstand und Verlustleistung (Sperrschichttemperatur = maximale Umgebungstemperatur + [Wärmewiderstand × Verlustleistung]). Mit dieser Gleichung lässt sich die maximale Verlustleistung des Systems ermitteln, die per Definition gleich I2×RDS(ON) ist. Da der Entwickler den maximalen Strom bestimmt hat, der durch das Gerät fließt, kann RDS(ON) bei unterschiedlichen Temperaturen berechnet werden. Es ist erwähnenswert, dass Designer beim Umgang mit einfachen thermischen Modellen auch die Wärmekapazität des Halbleiterübergangs/Gerätegehäuses und des Gehäuses/der Umgebung berücksichtigen müssen; Dies setzt voraus, dass sich Leiterplatte und Gehäuse nicht sofort erhitzen. Beim Lawinendurchbruch überschreitet die Sperrspannung am Halbleiterbauelement den Maximalwert und bildet ein starkes elektrisches Feld, das den Strom im Bauelement erhöht. Dieser Strom verbraucht Strom, erhöht die Temperatur des Geräts und führt möglicherweise zu einer Beschädigung des Geräts. Halbleiterunternehmen führen Lawinentests an Geräten durch, berechnen ihre Lawinenspannung oder testen die Robustheit des Geräts. Es gibt zwei Methoden zur Berechnung der Lawinennennspannung; Eine davon ist die statistische Methode und die andere die thermische Berechnung. Die thermische Berechnung wird häufig verwendet, da sie praktischer ist. Viele Unternehmen haben Einzelheiten zu ihren Gerätetests bereitgestellt. Beispielsweise stellt Fairchild Semiconductor „Power MOSFET Avalanche Guidelines“ zur Verfügung (Power MOSFET Avalanche Guidelines – kann von der Fairchild-Website heruntergeladen werden). Neben der Informatik hat auch die Technologie einen großen Einfluss auf den Lawineneffekt. Beispielsweise erhöht eine Vergrößerung der Chipgröße die Lawinenresistenz und letztendlich die Robustheit des Geräts. Für Endbenutzer bedeutet dies, größere Pakete im System zu verwenden.

Schritt 4: Bestimmen Sie die Leistung des Switches

Der letzte Schritt bei der Auswahl eines MOSFET besteht darin, die Schaltleistung des MOSFET zu bestimmen. Es gibt viele Parameter, die die Schaltleistung beeinflussen, aber die wichtigsten sind Gate/Drain-, Gate/Source- und Drain/Source-Kapazität. Diese Kondensatoren erzeugen Schaltverluste im Gerät, da sie bei jedem Schalten aufgeladen werden. Dadurch verringert sich die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET und auch die Geräteeffizienz verringert sich. Um die Gesamtverluste in einem Gerät während des Schaltens zu berechnen, muss der Entwickler die Verluste beim Einschalten (Eon) und die Verluste beim Ausschalten (Eoff) berechnen. Die Gesamtleistung des MOSFET-Schalters kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: Psw = (Eon + Eoff) × Schaltfrequenz. Die Gate-Ladung (Qgd) hat den größten Einfluss auf die Schaltleistung. Aufgrund der Bedeutung der Schaltleistung werden ständig neue Technologien entwickelt, um dieses Schaltproblem zu lösen. Mit zunehmender Chipgröße steigt die Gate-Ladung; Dadurch erhöht sich die Gerätegröße. Um Schaltverluste zu reduzieren, sind neue Technologien wie die Kanal-Dickboden-Oxidation entstanden, die darauf abzielen, die Gate-Ladung zu reduzieren. Beispielsweise kann die neue SuperFET-Technologie Leitungsverluste minimieren und die Schaltleistung verbessern, indem RDS(ON) und Gate-Ladung (Qg) reduziert werden. Auf diese Weise können MOSFETs schnelle Spannungstransienten (dv/dt) und Stromtransienten (di/dt) beim Schalten bewältigen und sogar bei höheren Schaltfrequenzen zuverlässig arbeiten.