Наследени IR високомощни HEXFET MOSFET

Оценявайки мащаба на използването на MOS технологиите в съвременната електронна технология, сега е трудно да си представим колко драматична е била историята на тяхното формиране, защото дори 30 години след издаването на първите теоретични трудове на физика Юлий Лилинфелд в края на 20-те години на миналия век, полевият транзистор може да се наблюдава само като лабораторно любопитство. И точно така, чрез лабораторно любопитство, първият MOSFET с метален порт е създаден от изследователя на Bell Labs д-р Джон Атал. Въпреки това, ако са необходими само няколко години, за да се разработят практически използваеми MOSFET с ниска мощност, ще отнеме още 16 години, преди да се появят първите MOSFET с висока мощност. Първите в света MOSPOWER® мощни MOSFET транзистори бяха представени от Siliconix през 1976 г., а малко по-късно, през 1979 г., International Rectifier предложи алтернативна MOS структура за изграждане на мощни транзистори, наречена HEXFET®. Така се случи, че тези две легендарни компании предопределиха развитието на мощните MOSFET транзистори през следващите десетилетия и сега са тясно свързани с друга не по-малко известна компания Vishay. През 2005 г. приключи пълното сливане на Siliconix с Vishay, което започна през 1998 г., а през 2007 г. Vishay придоби продуктовата линия полупроводникови мощности International Rectifier, която също включваше популярните транзистори HEXFET. Vishay MOSFETs от IR производствената линия са показани на фигура 1.

mosfet

Ориз. 1.Пакети Vishay MOSFET от международна производствена линия за изправители

Структурата HEXFET предполага организирането в един кристал на хиляди паралелно свързани MOS транзисторни клетки, образуващишестоъгълник. Това решение направи възможно значително намаляване на съпротивлението на отворения канал RDS(on) и даде възможност за превключване на големи токове. От гледна точка на класификацията на полеви транзистори, HEXFET се отнасят до полеви транзистори с индуциран канал, т.е. работят в режим на обогатяване на канала с миноритарни носители, което води до инверсия на неговата проводимост. Такива транзистори се отварят само когато се приложи определено напрежение между портата и източника. Полярността на това напрежение зависи от вида на проводимостта на канала в отворено състояние. За n-каналните транзистори това напрежение е положително, а за p-каналните транзистори е отрицателно. Напрежението между гейт и източник, което може да предизвика протичане на ток между дрейн и източник, се нарича прагово напрежение (VGS(TH)).

Обикновено, когато се използват като превключватели, p-каналните транзистори са включени в прекъсването на положителната захранваща линия, докато токът тече през тях в товара, а n-каналните транзистори са свързани към прекъсването на отрицателната (или общата) захранваща линия и токът тече в тях от товара. Въпреки това, поради факта, че p-каналните транзистори от сравним клас с n-каналните обикновено са по-скъпи и техният асортимент е много по-лош, в редица приложения е обичайно да се използват n-канални транзистори за превключване в положителна захранваща линия. За да направите това, е необходимо да свържете изтичането на транзистора към положително захранване, източника към товара и, най-трудното нещо, да създадете положително отключващо напрежение между портата и източника, „плаващ“ по време на превключване. За решаване на последния проблем се произвеждат специални драйверни каскади от "висока страна". Описаната версия на използването на n-канални транзистори се използва широко в полумостови и пълномостови мощностни етапи на регулируеми електрически задвижвания и импулсни преобразуватели на напрежение.

INГамата от HEXFET транзистори на Vishay включва дискретни транзистори от n-тип и p-тип в различни пакети, вкл. изолиран и повърхностен монтаж (SMT). Транзисторите покриват широк диапазон от напрежения (до 1000 V) и токове (до 70 A) и могат да се използват във всички типични мощни MOSFET приложения. Те включват:

  • ключове в импулсни захранвания и DC/DC преобразуватели, вкл. синхронни изправителни стъпала (като алтернатива на диода на Шотки с по-ниски загуби на мощност) и стъпала за корекция на фактора на мощността;
  • комутационни и електроразпределителни схеми;
  • схеми за изравняване на тока за паралелно работещи канали;
  • Вериги за защита на източници на батерии от протичане на обратен ток, зарядни устройства, вериги за балансиране на многоклетъчни батерии;
  • вериги за управление на мотори;
  • усилватели на аудио честота;
  • линейни стабилизатори на напрежение, вкл. тип LDO;
  • мощни източници на ток;
  • ключове с общо предназначение (например за управление на мощен LED товар, електромагнитни релета, електромагнити и др.).

При избора на транзистор HEXFET по отношение на напрежението и тока е важно да се разбере, че максималното работно напрежение (напрежение на пробив дрейн-източник V(BR)DSS)) и максималния идентификатор на ток на изтичане, посочени в референтните таблици и документация, са от класификационен характер и не могат да служат като окончателна основа за избор на транзистор. Стойността V(BR)DSS) характеризира гарантираното напрежение, при което няма да има електрическа повреда на транзистора, а стойността на максималния ток ID показва до каква стойност на тока при дадено напрежение порта-източник и температура на кутията ще бъде температурата на кристалния преходда бъде в приемливи граници. Тези данни могат да се използват като ориентир, а окончателното решение за избор на транзистор трябва да се вземе само въз основа на графиките на безопасната работна зона (SAR) на транзистора за статична или импулсна работа, които са дадени в документацията. Например, транзисторът IRFB11N50A е класифициран за максимално напрежение от 500 V и ток от 11 A, но дори в импулсен режим (продължителност на провеждащото състояние 10 ms) при максимално напрежение, той е в състояние надеждно да превключва много по-нисък ток (по-малко от 1 A). Количеството на изтичащия ток може също да бъде ограничено от максималната температура на кристала. За да проверите дали това ограничение съществува, трябва да се извърши термично изчисление.

където TJ е температурата на прехода, TA е температурата на околната среда, PD е мощността, разсейвана от транзистора, RqJA е топлинното съпротивление между прехода и околната среда.

Размерът на разсейването на мощността в статични и нискочестотни превключватели зависи главно от загубите на проводимост в канала, т.е. PD = ID 2 RDS(on)FrD, където RDS(on) е съпротивлението на канала във включено състояние и D е работният цикъл на импулса (за статичен превключвател, D = 1). При приложения с по-висока честота, разсейването на мощността също има динамичен компонент, който зависи от честотата на превключване и големината на заряда на затвора QG, който определя колко дълго транзисторът се включва и изключва, и изходния капацитет COSS. По-подробно методологията за изчисляване на загубите на мощност в MOS транзистори вече е разгледана на страниците на NE [1], следователно подробностите са пропуснати тук. Ако получената стойност на TJ се окаже по-висока от максимално допустимата стойност за избрания транзистор или стойността, посочена в заданието, тогава е необходимонаправете едно от следните, докато това условие бъде изпълнено:

  • намалете тока на източване, например чрез паралелно свързване на транзистори;
  • изберете транзистор с по-ниска RDS(on) и, ако е необходимо, QG/COSS;
  • изберете подобен транзистор, но в пакет с подобрени свойства на разсейване на топлината (например след това TO-247 вместо TO-220);
  • приложете радиатор.

MOSFET в пакети за повърхностен монтаж

MOSFET в SMT пакети са идеални кандидати за приложения, при които свойствата на топлинно разсейване на пакета и печатната платка ще бъдат достатъчни, за да отговорят на термичния толеранс на транзистора. Портфолиото от транзистори на Vishay включва устройства в три вида SMT пакети: D-PAK, D2-PAK и SOT-223. Таблица 1 ще ви помогне да се ориентирате в избора на транзистори.

Таблица 1.Мощни MOSFET на Vishay от производствената линия на International Rectifier в SMT пакети