I dispositivi a semiconduttore di potenza sono ampiamente utilizzati nell'industria, nei consumi, in campo militare e in altri campi e hanno un'elevata posizione strategica. Diamo un'occhiata al quadro generale dei dispositivi di potenza da un'immagine:
I dispositivi a semiconduttore di potenza possono essere suddivisi in tipo completo, tipo semi-controllato e tipo non controllabile in base al grado di controllo dei segnali del circuito. Oppure, in base alle proprietà del segnale del circuito di pilotaggio, può essere suddiviso in tipo a tensione, tipo a corrente, ecc.
| Classificazione | tipo | Dispositivi a semiconduttore di potenza specifici |
| Controllabilità dei segnali elettrici | Tipo semicontrollato | SCR |
| Controllo completo | GTO, GTR, MOSFET, IGBT | |
| Incontrollabile | Diodo di potenza | |
| Proprietà del segnale di guida | Tipo a tensione | IGBT, MOSFET, SITH |
| Tipo guidato dalla corrente | SCR、GTO、GTR | |
| Forma d'onda effettiva del segnale | Tipo di trigger a impulsi | SCR, GTO |
| Tipo di controllo elettronico | GTR, MOSFET, IGBT | |
| Situazioni in cui partecipano gli elettroni trasportati da corrente | dispositivo bipolare | Diodo di potenza, SCR, GTO, GTR, BSIT, BJT |
| Dispositivo unipolare | MOSFET, SEDUTO | |
| Dispositivo composito | MCT, IGBT, SITH e IGCT |
Diversi dispositivi a semiconduttore di potenza hanno caratteristiche diverse come tensione, capacità di corrente, capacità di impedenza e dimensioni. Nell'uso reale, è necessario selezionare i dispositivi appropriati in base ai diversi campi ed esigenze.
Sin dalla sua nascita, l’industria dei semiconduttori ha attraversato tre generazioni di cambiamenti materiali. Finora il primo materiale semiconduttore rappresentato dal Si viene ancora utilizzato principalmente nel campo dei dispositivi a semiconduttore di potenza.
| Materiale semiconduttore | Divario di banda (eV) | Punto di fusione (K) | applicazione principale | |
| Materiali semiconduttori di prima generazione | Ge | 1.1 | 1221 | Transistor a bassa tensione, bassa frequenza, media potenza, fotorivelatori |
| Materiali semiconduttori di seconda generazione | Si | 0,7 | 1687 | |
| Materiali semiconduttori di terza generazione | GaAs | 1.4 | 1511 | Microonde, dispositivi a onde millimetriche, dispositivi emettitori di luce |
| SiC | 3.05 | 2826 | 1. Dispositivi ad alta potenza ad alta temperatura, alta frequenza e resistenti alle radiazioni 2. Diodi emettitori di luce blu, di grado, viola, laser a semiconduttore | |
| GaN | 3.4 | 1973 | ||
| AIN | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | >3800 | ||
| ZnO | 3.37 | 2248 | ||
Riassumere le caratteristiche dei dispositivi di potenza semi-controllati e completamente controllati:
| Tipo di dispositivo | SCR | GTR | MOSFET | IGBT |
| Tipo di controllo | Grilletto a impulsi | Controllo corrente | controllo della tensione | centro cinematografico |
| linea di autospegnimento | Arresto della commutazione | dispositivo di autospegnimento | dispositivo di autospegnimento | dispositivo di autospegnimento |
| frequenza di lavoro | ＜1khz | <30khz | 20khz-Mhz | <40khz |
| Potenza motrice | piccolo | grande | piccolo | piccolo |
| perdite di commutazione | grande | grande | grande | grande |
| perdita di conduzione | piccolo | piccolo | grande | piccolo |
| Livello di tensione e corrente | 最大 | grande | minimo | Di più |
| Applicazioni tipiche | Riscaldamento a induzione a media frequenza | Convertitore di frequenza UPS | alimentazione elettrica commutabile | Convertitore di frequenza UPS |
| prezzo | più basso | inferiore | nel mezzo | Il più costoso |
| effetto di modulazione della conduttanza | Avere | Avere | nessuno | Avere |
Scopri i MOSFET
MOSFET ha un'elevata impedenza di ingresso, basso rumore e buona stabilità termica; ha un processo di fabbricazione semplice e forti radiazioni, quindi viene solitamente utilizzato nei circuiti amplificatori o nei circuiti di commutazione;
(1) Principali parametri di selezione: tensione drain-source VDS (tensione di resistenza), corrente di dispersione continua ID, resistenza ON RDS(on), capacità di ingresso Ciss (capacità di giunzione), fattore di qualità FOM=Ron*Qg, ecc.
(2) In base a diversi processi, è suddiviso in TrenchMOS: MOSFET trench, principalmente nel campo a bassa tensione entro 100 V; MOSFET SGT (Split Gate): MOSFET split gate, principalmente nel campo di media e bassa tensione entro 200 V; MOSFET SJ: MOSFET a super giunzione, principalmente nel campo dell'Alta tensione 600-800V;
In un alimentatore a commutazione, come un circuito a drain aperto, il drain è collegato al carico intatto, chiamato open-drain. In un circuito a drain aperto, non importa quanto sia alta la tensione collegata al carico, la corrente di carico può essere attivata e disattivata. È un dispositivo di commutazione analogico ideale. Questo è il principio del MOSFET come dispositivo di commutazione.
In termini di quota di mercato, i MOSFET sono quasi tutti concentrati nelle mani dei maggiori produttori internazionali. Tra questi, Infineon ha acquisito IR (American International Rectifier Company) nel 2015 ed è diventata leader del settore. ON Semiconductor ha inoltre completato l'acquisizione di Fairchild Semiconductor nel settembre 2016. , la quota di mercato è balzata al secondo posto e poi le classifiche di vendita sono diventate Renesas, Toshiba, IWC, ST, Vishay, Anshi, Magna, ecc.;
I principali marchi di MOSFET sono suddivisi in diverse serie: americana, giapponese e coreana.
Serie americane: Infineon, IR, Fairchild, ON Semiconductor, ST, TI, PI, AOS, ecc.;
Giapponesi: Toshiba, Renesas, ROHM, ecc.;
Serie coreane: Magna, KEC, AUK, Morina Hiroshi, Shinan, KIA
Categorie di pacchetti MOSFET
A seconda del modo in cui è installato sulla scheda PCB, esistono due tipi principali di pacchetti MOSFET: plug-in (Through Hole) e montaggio superficiale (Surface Mount).
Il tipo plug-in significa che i pin del MOSFET passano attraverso i fori di montaggio della scheda PCB e sono saldati alla scheda PCB. I pacchetti plug-in comuni includono: pacchetto doppio in linea (DIP), pacchetto transistor contour (TO) e pacchetto pin grid array (PGA).
Confezione plug-in
Il montaggio superficiale prevede che i pin del MOSFET e la flangia di dissipazione del calore siano saldati ai pad sulla superficie della scheda PCB. I tipici contenitori a montaggio superficiale includono: transistor con profilo (D-PAK), transistor con profilo piccolo (SOT), pacchetto con profilo piccolo (SOP), pacchetto quad flat (QFP), porta chip con piombo in plastica (PLCC), ecc.
pacchetto per montaggio superficiale
Con lo sviluppo della tecnologia, le schede PCB come le schede madri e le schede grafiche attualmente utilizzano sempre meno imballaggi a plug-in diretto e vengono utilizzati sempre più imballaggi a montaggio superficiale.
1. Doppio pacchetto in linea (DIP)
Il pacchetto DIP ha due file di pin e deve essere inserito in uno zoccolo del chip con struttura DIP. Il suo metodo di derivazione è SDIP (Shrink DIP), che è un pacchetto termoretraibile double-in-line. La densità dei pin è 6 volte superiore a quella del DIP.
Le forme della struttura dell'imballaggio DIP includono: DIP doppio in linea ceramico multistrato, DIP doppio in linea ceramico monostrato, DIP lead frame (incluso il tipo di sigillatura in vetroceramica, il tipo di struttura di incapsulamento in plastica, l'incapsulamento in vetro ceramico a basso punto di fusione tipo) ecc. La caratteristica dell'imballaggio DIP è che può facilmente realizzare saldature a foro passante di schede PCB e ha una buona compatibilità con la scheda madre.
Tuttavia, poiché l'area e lo spessore dell'imballaggio sono relativamente grandi e i pin si danneggiano facilmente durante il processo di collegamento e scollegamento, l'affidabilità è scarsa. Allo stesso tempo, a causa dell'influenza del processo, il numero di pin generalmente non supera i 100. Pertanto, nel processo di elevata integrazione dell'industria elettronica, l'imballaggio DIP si è gradualmente ritirato dalla scena storica.
2. Pacchetto schema transistor (TO)
Le prime specifiche di packaging, come TO-3P, TO-247, TO-92, TO-92L, TO-220, TO-220F, TO-251, ecc. sono tutti progetti di packaging plug-in.
TO-3P/247: è una forma di packaging comunemente usata per MOSFET a tensione medio-alta e ad alta corrente. Il prodotto ha le caratteristiche di elevata tensione di tenuta e forte resistenza alla rottura.
TO-220/220F: TO-220F è un pacchetto completamente in plastica e non è necessario aggiungere un cuscinetto isolante durante l'installazione su un radiatore; TO-220 ha una lamiera metallica collegata al perno centrale e durante l'installazione del radiatore è necessario un cuscinetto isolante. I MOSFET di questi due stili di contenitore hanno aspetto simile e possono essere utilizzati in modo intercambiabile.
TO-251: questo prodotto confezionato viene utilizzato principalmente per ridurre i costi e ridurre le dimensioni del prodotto. Viene utilizzato principalmente in ambienti con media tensione e corrente elevata inferiore a 60 A e alta tensione inferiore a 7 N.
TO-92: questo pacchetto viene utilizzato solo per MOSFET a bassa tensione (corrente inferiore a 10 A, tensione di resistenza inferiore a 60 V) e 1N60/65 ad alta tensione, al fine di ridurre i costi.
Negli ultimi anni, a causa degli elevati costi di saldatura del processo di confezionamento plug-in e delle inferiori prestazioni di dissipazione del calore rispetto ai prodotti di tipo patch, la domanda nel mercato a montaggio superficiale ha continuato ad aumentare, il che ha portato anche allo sviluppo di imballaggi TO nella confezione per montaggio superficiale.
TO-252 (chiamato anche D-PAK) e TO-263 (D2PAK) sono entrambi pacchetti a montaggio superficiale.
PER confezionare l'aspetto del prodotto
TO252/D-PAK è un package di chip in plastica, comunemente utilizzato per il confezionamento di transistor di potenza e chip di stabilizzazione della tensione. È uno degli attuali pacchetti mainstream. Il MOSFET che utilizza questo metodo di confezionamento ha tre elettrodi, gate (G), drain (D) e source (S). Il perno di scarico (D) è tagliato e non utilizzato. Invece, il dissipatore di calore sul retro viene utilizzato come drenaggio (D), che è saldato direttamente al PCB. Da un lato viene utilizzato per emettere grandi correnti e dall'altro dissipa il calore attraverso il PCB. Pertanto, sul PCB sono presenti tre pad D-PAK e il pad di drenaggio (D) è più grande. Le sue specifiche di imballaggio sono le seguenti:
Specifiche relative alle dimensioni del pacchetto TO-252/D-PAK
TO-263 è una variante di TO-220. È progettato principalmente per migliorare l'efficienza produttiva e la dissipazione del calore. Supporta correnti e tensioni estremamente elevate. È più comune nei MOSFET ad alta corrente a media tensione inferiori a 150 A e superiori a 30 V. Oltre a D2PAK (TO-263AB), include anche TO263-2, TO263-3, TO263-5, TO263-7 e altri stili, che sono subordinati a TO-263, principalmente a causa del diverso numero e distanza dei pin .
Specifica delle dimensioni del pacchetto TO-263/D2PAKs
3. Pacchetto Pin Grid Array (PGA)
Sono presenti più pin Square Array all'interno e all'esterno del chip PGA (Pin Grid Array Package). Ciascun pin a matrice quadrata è disposto ad una certa distanza attorno al chip. A seconda del numero di perni, può essere formato da 2 a 5 cerchi. Durante l'installazione è sufficiente inserire il chip nell'apposita presa PGA. Presenta i vantaggi di un facile collegamento e scollegamento e di un'elevata affidabilità e può adattarsi a frequenze più elevate.
Stile del pacchetto PGA
La maggior parte dei substrati dei chip sono realizzati in materiale ceramico e alcuni utilizzano una speciale resina plastica come substrato. Dal punto di vista tecnologico, l'interasse dei pin è solitamente di 2,54 mm e il numero di pin varia da 64 a 447. La caratteristica di questo tipo di imballaggio è che minore è l'area dell'imballaggio (volume), minore è il consumo energetico (prestazioni). ) può resistere e viceversa. Questo stile di confezionamento dei chip era più comune nei primi tempi ed era utilizzato principalmente per il confezionamento di prodotti ad alto consumo energetico come le CPU. Ad esempio, l'80486 e il Pentium di Intel utilizzano tutti questo stile di packaging; non è ampiamente adottato dai produttori di MOSFET.
4. Pacchetto transistor di piccole dimensioni (SOT)
SOT (Small Out-Line Transistor) è un piccolo pacchetto di transistor di potenza di tipo patch, che comprende principalmente SOT23, SOT89, SOT143, SOT25 (ovvero SOT23-5), ecc. SOT323, SOT363/SOT26 (ovvero SOT23-6) e altri tipi sono derivati, che sono di dimensioni inferiori rispetto ai pacchetti TO.
Tipo di pacchetto SOT
SOT23 è un package di transistor comunemente usato con tre pin a forma di ala, ovvero collettore, emettitore e base, elencati su entrambi i lati del lato lungo del componente. Tra questi, l'emettitore e la base si trovano sullo stesso lato. Sono comuni nei transistor a bassa potenza, nei transistor ad effetto di campo e nei transistor compositi con reti di resistori. Hanno una buona resistenza ma scarsa saldabilità. L'aspetto è mostrato nella Figura (a) di seguito.
SOT89 ha tre pin corti distribuiti su un lato del transistor. L'altro lato è un dissipatore di calore in metallo collegato alla base per aumentare la capacità di dissipazione del calore. È comune nei transistor di potenza a montaggio superficiale in silicio ed è adatto per applicazioni di potenza più elevata. L'aspetto è mostrato nella Figura (b) di seguito.
SOT143 ha quattro perni corti a forma di ala, che fuoriescono da entrambi i lati. L'estremità più larga del perno è il collettore. Questo tipo di pacchetto è comune nei transistor ad alta frequenza e il suo aspetto è mostrato nella Figura (c) di seguito.
SOT252 è un transistor ad alta potenza con tre pin che conducono da un lato e il pin centrale è più corto e funge da collettore. Collegare al pin più grande all'altra estremità, che è un foglio di rame per la dissipazione del calore, e il suo aspetto è come mostrato nella Figura (d) di seguito.
Confronto comune dell'aspetto dei pacchetti SOT
Il MOSFET SOT-89 a quattro terminali è comunemente utilizzato sulle schede madri. Le sue specifiche e dimensioni sono le seguenti:
Specifiche delle dimensioni del MOSFET SOT-89 (unità: mm)
5. Pacchetto di piccole dimensioni (SOP)
SOP (Small Out-Line Package) è uno dei pacchetti a montaggio superficiale, chiamato anche SOL o DFP. I perni sono estratti da entrambi i lati della confezione a forma di ala di gabbiano (forma a L). I materiali sono plastica e ceramica. Gli standard di imballaggio SOP includono SOP-8, SOP-16, SOP-20, SOP-28, ecc. Il numero dopo SOP indica il numero di pin. La maggior parte dei pacchetti SOP MOSFET adotta le specifiche SOP-8. L'industria spesso omette la "P" e la abbrevia come SO (Small Out-Line).
Dimensioni del pacchetto SOP-8
SO-8 è stato sviluppato per la prima volta dalla PHILIP Company. È confezionato in plastica, non ha una piastra inferiore per la dissipazione del calore e ha una scarsa dissipazione del calore. Viene generalmente utilizzato per MOSFET a bassa potenza. Successivamente, sono state gradualmente derivate specifiche standard come TSOP (Thin Small Outline Package), VSOP (Very Small Outline Package), SSOP (Shrink SOP), TSSOP (Thin Shrink SOP), ecc.; tra questi, TSOP e TSSOP sono comunemente usati nel packaging MOSFET.
Specifiche derivate da SOP comunemente utilizzate per i MOSFET
6. Pacchetto Quad Flat (QFP)
La distanza tra i pin del chip nel contenitore QFP (Plastic Quad Flat Package) è molto ridotta e i pin sono molto sottili. Viene generalmente utilizzato in circuiti integrati su larga scala o ultra-grandi e il numero di pin è generalmente superiore a 100. I chip confezionati in questa forma devono utilizzare la tecnologia di montaggio superficiale SMT per saldare il chip alla scheda madre. Questo metodo di confezionamento ha quattro caratteristiche principali: ① È adatto alla tecnologia di montaggio superficiale SMD per installare il cablaggio su circuiti stampati; ② È adatto per l'uso ad alta frequenza; ③ È facile da usare e ha un'elevata affidabilità; ④ Il rapporto tra l'area del chip e l'area dell'imballaggio è ridotto. Come il metodo di imballaggio PGA, questo metodo di imballaggio avvolge il chip in un pacchetto di plastica e non può dissipare il calore generato quando il chip funziona in modo tempestivo. Limita il miglioramento delle prestazioni del MOSFET; e l'imballaggio in plastica stesso aumenta le dimensioni del dispositivo, che non soddisfa i requisiti per lo sviluppo di semiconduttori nella direzione di essere leggeri, sottili, corti e piccoli. Inoltre, questo tipo di metodo di confezionamento si basa su un singolo chip, che presenta i problemi di bassa efficienza produttiva e costi di confezionamento elevati. Pertanto, QFP è più adatto per l'uso in circuiti LSI logici digitali come microprocessori/array di gate ed è adatto anche per il confezionamento di prodotti di circuiti LSI analogici come l'elaborazione del segnale VTR e l'elaborazione del segnale audio.
7、Pacchetto quad flat senza cavi (QFN)
Il pacchetto QFN (Quad Flat Non-Lead Package) è dotato di contatti degli elettrodi su tutti e quattro i lati. Poiché non sono presenti cavi, l'area di montaggio è inferiore a QFP e l'altezza è inferiore a QFP. Tra questi, il QFN in ceramica è anche chiamato LCC (Leadless Chip Carriers) e il QFN in plastica a basso costo che utilizza il materiale di base del substrato stampato in resina epossidica di vetro è chiamato plastica LCC, PCLC, P-LCC, ecc. È un packaging emergente per chip a montaggio superficiale tecnologia con dimensioni ridotte del cuscinetto, volume ridotto e plastica come materiale sigillante. QFN viene utilizzato principalmente per il confezionamento di circuiti integrati e non verrà utilizzato MOSFET. Tuttavia, poiché Intel ha proposto un driver integrato e una soluzione MOSFET, ha lanciato DrMOS in un pacchetto QFN-56 ("56" si riferisce ai 56 pin di connessione sul retro del chip).
Va notato che il pacchetto QFN ha la stessa configurazione del conduttore esterno del pacchetto ultrasottile di piccole dimensioni (TSSOP), ma le sue dimensioni sono inferiori del 62% rispetto al TSSOP. Secondo i dati di modellazione QFN, le sue prestazioni termiche sono superiori del 55% rispetto a quelle dell'imballaggio TSSOP e le sue prestazioni elettriche (induttanza e capacità) sono rispettivamente superiori del 60% e del 30% rispetto all'imballaggio TSSOP. Lo svantaggio più grande è che è difficile da riparare.
DrMOS nel pacchetto QFN-56
I tradizionali alimentatori switching DC/DC step-down discreti non possono soddisfare i requisiti di una maggiore densità di potenza, né possono risolvere il problema degli effetti parassiti dei parametri alle alte frequenze di commutazione. Con l'innovazione e il progresso della tecnologia, è diventata una realtà integrare driver e MOSFET per costruire moduli multi-chip. Questo metodo di integrazione può far risparmiare molto spazio e aumentare la densità del consumo energetico. Grazie all'ottimizzazione di driver e MOSFET, tutto ciò è diventato realtà. Efficienza energetica e corrente CC di alta qualità, questo è il driver integrato DrMOS IC.
DrMOS di seconda generazione di Renesas
Il package leadless QFN-56 rende l'impedenza termica DrMOS molto bassa; grazie al collegamento interno dei cavi e al design con clip in rame, il cablaggio esterno del PCB può essere ridotto al minimo, riducendo così l'induttanza e la resistenza. Inoltre, il processo MOSFET al silicio a canale profondo utilizzato può anche ridurre significativamente le perdite di conduzione, commutazione e carica del gate; è compatibile con una varietà di controller, può raggiungere diverse modalità operative e supporta la modalità di conversione di fase attiva APS (Auto Phase Switching). Oltre all'imballaggio QFN, anche l'imballaggio piatto senza piombo (DFN) bilaterale è un nuovo processo di imballaggio elettronico ampiamente utilizzato in vari componenti di ON Semiconductor. Rispetto al QFN, il DFN ha meno elettrodi di uscita su entrambi i lati.
8、Porta chip con piombo in plastica (PLCC)
PLCC (Plastic Quad Flat Package) ha una forma quadrata ed è molto più piccolo del pacchetto DIP. Ha 32 perni con perni tutt'intorno. I perni fuoriescono dai quattro lati del pacchetto a forma di T. È un prodotto di plastica. L'interasse del perno è 1,27 mm e il numero di perni varia da 18 a 84. I perni a forma di J non si deformano facilmente e sono più facili da utilizzare rispetto a QFP, ma l'ispezione dell'aspetto dopo la saldatura è più difficile. L'imballaggio PLCC è adatto per l'installazione del cablaggio su PCB utilizzando la tecnologia di montaggio superficiale SMT. Presenta i vantaggi di dimensioni ridotte e alta affidabilità. Il packaging PLCC è relativamente comune e viene utilizzato nella logica LSI, DLD (o dispositivo logico di programma) e altri circuiti. Questa forma di packaging viene spesso utilizzata nel BIOS della scheda madre, ma attualmente è meno comune nei MOSFET.
Incapsulamento e miglioramento per le imprese tradizionali
A causa della tendenza allo sviluppo di bassa tensione e alta corrente nelle CPU, i MOSFET devono avere una grande corrente di uscita, bassa resistenza in conduzione, bassa generazione di calore, rapida dissipazione del calore e dimensioni ridotte. Oltre a migliorare la tecnologia e i processi di produzione dei chip, i produttori di MOSFET continuano anche a migliorare la tecnologia di packaging. Sulla base della compatibilità con le specifiche estetiche standard, propongono nuove forme di imballaggio e registrano nomi di marchi per le nuove confezioni che sviluppano.
1、Pacchetti RENESAS WPAK, LFPAK e LFPAK-I
WPAK è un pacchetto ad alta radiazione termica sviluppato da Renesas. Imitando il pacchetto D-PAK, il dissipatore di calore del chip è saldato alla scheda madre e il calore viene dissipato attraverso la scheda madre, in modo che anche il piccolo pacchetto WPAK possa raggiungere la corrente di uscita di D-PAK. WPAK-D2 racchiude due MOSFET alto/basso per ridurre l'induttanza del cablaggio.
Dimensioni del pacchetto WPAK di Renesas
LFPAK e LFPAK-I sono altri due pacchetti con fattore di forma ridotto sviluppati da Renesas compatibili con SO-8. LFPAK è simile a D-PAK, ma più piccolo di D-PAK. LFPAK-i posiziona il dissipatore di calore verso l'alto per dissipare il calore attraverso il dissipatore di calore.
Pacchetti Renesas LFPAK e LFPAK-I
2. Confezione Vishay Power-PAK e Polar-PAK
Power-PAK è il nome del pacchetto MOSFET registrato da Vishay Corporation. Power-PAK include due specifiche: Power-PAK1212-8 e Power-PAK SO-8.
Pacchetto Vishay Power-PAK1212-8
Pacchetto Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK è un piccolo contenitore con dissipazione del calore su entrambi i lati ed è una delle principali tecnologie di confezionamento di Vishay. Polar PAK è lo stesso del normale pacchetto so-8. Presenta punti di dissipazione sia sul lato superiore che su quello inferiore del pacchetto. Non è facile accumulare calore all'interno del pacchetto e può aumentare la densità di corrente operativa fino al doppio di quella dell'SO-8. Attualmente, Vishay ha concesso in licenza la tecnologia Polar PAK a STMicroelectronics.
Pacchetto Vishay Polar PAK
3. Package a piombo piatto Onsemi SO-8 e WDFN8
ON Semiconductor ha sviluppato due tipi di MOSFET a conduttore piatto, tra cui quelli a conduttore piatto compatibili con SO-8 sono utilizzati da molte schede. I MOSFET di potenza NVMx e NVTx appena lanciati da ON Semiconductor utilizzano package compatti DFN5 (SO-8FL) e WDFN8 per ridurre al minimo le perdite di conduzione. Presenta inoltre un basso QG e una capacità per ridurre al minimo le perdite del driver.
Pacchetto conduttori piatti SO-8 di ON Semiconductor
Pacchetto WDFN8 di ON Semiconductor
4. Confezione NXP LFPAK e QLPAK
NXP (ex Philps) ha migliorato la tecnologia di packaging SO-8 in LFPAK e QLPAK. Tra questi, LFPAK è considerato il pacchetto SO-8 di potenza più affidabile al mondo; mentre QLPAK ha le caratteristiche di dimensioni ridotte e maggiore efficienza di dissipazione del calore. Rispetto al normale SO-8, QLPAK occupa un'area della scheda PCB di 6*5 mm e ha una resistenza termica di 1,5 k/W.
Pacchetto NXP LFPAK
Confezione NXP QLPAK
4. Pacchetto PowerSO-8 della ST Semiconductor
Le tecnologie di confezionamento dei chip MOSFET di potenza di STMicroelectronics includono SO-8, PowerSO-8, PowerFLAT, DirectFET, PolarPAK, ecc. Tra questi, Power SO-8 è una versione migliorata di SO-8. Inoltre, sono disponibili PowerSO-10, PowerSO-20, TO-220FP, H2PAK-2 e altri pacchetti.
Pacchetto SO-8 di potenza della STMicroelectronics
5. Pacchetto Fairchild Semiconductor Power 56
Power 56 è il nome esclusivo di Farichild e il suo nome ufficiale è DFN5×6. La sua area di imballaggio è paragonabile a quella del TSOP-8 comunemente utilizzato e il contenitore sottile consente di risparmiare altezza libera dai componenti e il design del cuscinetto termico nella parte inferiore riduce la resistenza termica. Pertanto, molti produttori di dispositivi di potenza hanno implementato DFN5×6.
Pacchetto Fairchild Power 56
6. Pacchetto FET diretto International Rectifier (IR).
Il FET diretto fornisce un efficiente raffreddamento superiore in un ingombro SO-8 o inferiore ed è adatto per applicazioni di conversione di potenza CA-CC e CC-CC in computer, laptop, telecomunicazioni e apparecchiature elettroniche di consumo. La struttura in metallo di DirectFET fornisce una dissipazione del calore su entrambi i lati, raddoppiando di fatto le capacità di gestione della corrente dei convertitori buck CC-CC ad alta frequenza rispetto ai contenitori discreti in plastica standard. Il pacchetto FET diretto è del tipo a montaggio inverso, con il dissipatore di calore con drenaggio (D) rivolto verso l'alto e coperto da un guscio metallico, attraverso il quale il calore viene dissipato. Il confezionamento FET diretto migliora notevolmente la dissipazione del calore e occupa meno spazio con una buona dissipazione del calore.
Riassumere
In futuro, poiché l'industria manifatturiera elettronica continua a svilupparsi nella direzione dell'ultrasottile, della miniaturizzazione, della bassa tensione e dell'alta corrente, anche l'aspetto e la struttura interna del packaging del MOSFET cambieranno per adattarsi meglio alle esigenze di sviluppo del settore manifatturiero. industria. Inoltre, al fine di abbassare la soglia di selezione per i produttori di elettronica, la tendenza dello sviluppo dei MOSFET nella direzione della modularizzazione e del confezionamento a livello di sistema diventerà sempre più evidente e i prodotti si svilupperanno in modo coordinato da molteplici dimensioni come prestazioni e costi. . Il package è uno dei fattori di riferimento importanti per la selezione del MOSFET. Diversi prodotti elettronici hanno requisiti elettrici diversi e diversi ambienti di installazione richiedono anche specifiche sulle dimensioni corrispondenti da soddisfare. Nella selezione effettiva, la decisione dovrebbe essere presa in base alle effettive esigenze secondo il principio generale. Alcuni sistemi elettronici sono limitati dalle dimensioni del PCB e dall'altezza interna. Ad esempio, gli alimentatori modulari dei sistemi di comunicazione utilizzano solitamente contenitori DFN5*6 e DFN3*3 a causa dei limiti di altezza; in alcuni alimentatori ACDC, i design ultrasottili o a causa delle limitazioni del guscio sono adatti per l'assemblaggio di MOSFET di potenza in package TO220. In questo momento, i perni possono essere inseriti direttamente nella radice, che non è adatta ai prodotti confezionati TO247; alcuni progetti ultrasottili richiedono che i pin del dispositivo siano piegati e appiattiti, il che aumenterà la complessità della selezione del MOSFET.
Come scegliere MOSFET
Un ingegnere una volta mi disse che non guardava mai la prima pagina della scheda tecnica di un MOSFET perché le informazioni "pratiche" apparivano solo sulla seconda pagina e oltre. Praticamente ogni pagina della scheda tecnica di un MOSFET contiene informazioni preziose per i progettisti. Ma non è sempre chiaro come interpretare i dati forniti dai produttori.
Questo articolo descrive alcune delle specifiche chiave dei MOSFET, il modo in cui sono indicate nella scheda tecnica e il quadro chiaro necessario per comprenderli. Come la maggior parte dei dispositivi elettronici, i MOSFET sono influenzati dalla temperatura operativa. Pertanto è importante comprendere le condizioni di prova in cui vengono applicati gli indicatori citati. Fondamentale è anche capire se gli indicatori che vedi nella "Presentazione Prodotto" sono valori "massimi" o "tipici", perché alcune schede tecniche non lo rendono chiaro.
Grado di tensione
La caratteristica principale che determina un MOSFET è la sua tensione drain-source VDS, o "tensione di rottura drain-source", che è la tensione più alta che il MOSFET può sopportare senza danni quando il gate è cortocircuitato alla sorgente e alla corrente di drain è 250μA. . Il VDS è anche chiamato "tensione massima assoluta a 25°C", ma è importante ricordare che questa tensione assoluta dipende dalla temperatura e solitamente nella scheda tecnica è presente un "coefficiente di temperatura VDS". È inoltre necessario comprendere che il VDS massimo è la tensione CC più eventuali picchi e ondulazioni di tensione che potrebbero essere presenti nel circuito. Ad esempio, se si utilizza un dispositivo da 30 V con un alimentatore da 30 V con un picco di 100 mV, 5 ns, la tensione supererà il limite massimo assoluto del dispositivo e il dispositivo potrebbe entrare in modalità valanga. In questo caso l'affidabilità del MOSFET non può essere garantita. A temperature elevate, il coefficiente di temperatura può modificare in modo significativo la tensione di rottura. Ad esempio, alcuni MOSFET a canale N con una tensione nominale di 600 V hanno un coefficiente di temperatura positivo. Quando si avvicinano alla temperatura massima di giunzione, il coefficiente di temperatura fa sì che questi MOSFET si comportino come MOSFET da 650 V. Le regole di progettazione di molti utenti MOSFET richiedono un fattore di declassamento compreso tra il 10% e il 20%. In alcuni progetti, considerando che la tensione di rottura effettiva è superiore del 5% - 10% rispetto al valore nominale a 25°C, al progetto effettivo verrà aggiunto un margine di progetto utile corrispondente, il che è molto vantaggioso per il progetto. Altrettanto importante per la corretta selezione dei MOSFET è comprendere il ruolo della tensione gate-source VGS durante il processo di conduzione. Questa tensione è la tensione che garantisce la piena conduzione del MOSFET in una determinata condizione RDS(on) massima. Questo è il motivo per cui la resistenza è sempre correlata al livello VGS, ed è solo a questa tensione che il dispositivo può essere acceso. Un'importante conseguenza progettuale è che non è possibile accendere completamente il MOSFET con una tensione inferiore al VGS minimo utilizzato per ottenere la classificazione RDS(on). Ad esempio, per accendere completamente un MOSFET con un microcontrollore da 3,3 V, è necessario essere in grado di accendere il MOSFET a VGS=2,5 V o inferiore.
Resistenza, carica di gate e "cifra di merito"
La resistenza di un MOSFET è sempre determinata a una o più tensioni gate-source. Il limite massimo RDS(on) può essere superiore dal 20% al 50% rispetto al valore tipico. Il limite massimo di RDS(on) si riferisce solitamente al valore ad una temperatura di giunzione di 25°C. A temperature più elevate, RDS(on) può aumentare dal 30% al 150%, come mostrato nella Figura 1. Poiché RDS(on) cambia con la temperatura e il valore di resistenza minimo non può essere garantito, il rilevamento della corrente basato su RDS(on) non è un metodo molto accurato.
Figura 1 L'RDS(on) aumenta con la temperatura compresa tra il 30% e il 150% della temperatura operativa massima
La resistenza On è molto importante sia per i MOSFET a canale N che per quelli a canale P. Negli alimentatori a commutazione, Qg è un criterio di selezione chiave per i MOSFET a canale N utilizzati negli alimentatori a commutazione poiché Qg influisce sulle perdite di commutazione. Queste perdite hanno due effetti: uno è il tempo di commutazione che influenza l'accensione e lo spegnimento del MOSFET; l'altro è l'energia richiesta per caricare la capacità di gate durante ogni processo di commutazione. Una cosa da tenere presente è che Qg dipende dalla tensione gate-source, anche se l'utilizzo di una Vgs inferiore riduce le perdite di commutazione. Come modo rapido per confrontare i MOSFET destinati all'uso in applicazioni di commutazione, i progettisti spesso utilizzano una formula singolare composta da RDS(on) per le perdite di conduzione e Qg per le perdite di commutazione: RDS(on)xQg. Questa "figura di merito" (FOM) riassume le prestazioni del dispositivo e consente di confrontare i MOSFET in termini di valori tipici o massimi. Per garantire un confronto accurato tra i dispositivi, è necessario assicurarsi che venga utilizzato lo stesso VGS per RDS(on) e Qg e che i valori tipici e massimi non siano mescolati insieme nella pubblicazione. Un FOM inferiore garantirà prestazioni migliori nel passaggio da un'applicazione all'altra, ma non è garantito. I migliori risultati di confronto possono essere ottenuti solo in un circuito reale e in alcuni casi potrebbe essere necessario mettere a punto il circuito per ciascun MOSFET. Corrente nominale e dissipazione di potenza, in base a diverse condizioni di test, la maggior parte dei MOSFET presenta una o più correnti di drain continue nella scheda tecnica. Ti consigliamo di guardare attentamente la scheda tecnica per capire se la valutazione è alla temperatura del case specificata (ad esempio TC=25°C) o alla temperatura ambiente (ad esempio TA=25°C). Quale di questi valori sia più rilevante dipenderà dalle caratteristiche e dall'applicazione del dispositivo (vedere Figura 2).
Figura 2 Tutti i valori massimi assoluti di corrente e potenza sono dati reali
Per i piccoli dispositivi a montaggio superficiale utilizzati nei dispositivi portatili, il livello di corrente più rilevante potrebbe essere quello a una temperatura ambiente di 70°C. Per apparecchiature di grandi dimensioni con dissipatori di calore e raffreddamento ad aria forzata, il livello attuale a TA=25℃ potrebbe essere più vicino alla situazione reale. Per alcuni dispositivi, il die può gestire più corrente alla temperatura di giunzione massima rispetto ai limiti del pacchetto. In alcune schede tecniche, questo livello di corrente "limitato dallo stampo" è un'informazione aggiuntiva al livello di corrente "limitato dal pacchetto", che può darti un'idea della robustezza dello stampo. Considerazioni simili si applicano alla dissipazione di potenza continua, che dipende non solo dalla temperatura ma anche dal tempo di funzionamento. Immagina un dispositivo che funzioni continuamente a PD=4W per 10 secondi a TA=70℃. Ciò che costituisce un periodo di tempo "continuo" varierà in base al pacchetto MOSFET, quindi ti consigliamo di utilizzare il grafico normalizzato dell'impedenza transitoria termica dal foglio dati per vedere come appare la dissipazione di potenza dopo 10 secondi, 100 secondi o 10 minuti . Come mostrato nella Figura 3, il coefficiente di resistenza termica di questo dispositivo specializzato dopo un impulso di 10 secondi è di circa 0,33, il che significa che una volta che il pacchetto raggiunge la saturazione termica dopo circa 10 minuti, la capacità di dissipazione del calore del dispositivo è di soli 1,33 W invece di 4 W. . Sebbene la capacità di dissipazione del calore del dispositivo possa raggiungere circa 2 W con un buon raffreddamento.
Figura 3 Resistenza termica del MOSFET quando viene applicato l'impulso di potenza
In effetti, possiamo dividere la scelta del MOSFET in quattro passaggi.
Il primo passo: scegliere il canale N o il canale P
Il primo passo nella scelta del dispositivo giusto per il tuo progetto è decidere se utilizzare un MOSFET a canale N o P. In una tipica applicazione di potenza, quando un MOSFET è collegato a terra e il carico è collegato alla tensione di rete, il MOSFET costituisce l'interruttore low-side. Nell'interruttore low-side, dovrebbero essere utilizzati MOSFET a canale N per considerazioni sulla tensione richiesta per accendere o spegnere il dispositivo. Quando il MOSFET è collegato al bus e il carico è a terra, viene utilizzato un interruttore high-side. I MOSFET a canale P vengono solitamente utilizzati in questa topologia, anche per considerazioni relative al pilotaggio della tensione. Per selezionare il dispositivo giusto per la tua applicazione, devi determinare la tensione richiesta per pilotare il dispositivo e il modo più semplice per farlo nel tuo progetto. Il passo successivo è determinare la tensione nominale richiesta o la tensione massima che il dispositivo può sopportare. Maggiore è la tensione nominale, maggiore sarà il costo del dispositivo. Secondo l'esperienza pratica, la tensione nominale dovrebbe essere maggiore della tensione di rete o della tensione del bus. Ciò fornirà una protezione sufficiente in modo che il MOSFET non fallisca. Quando si seleziona un MOSFET, è necessario determinare la tensione massima che può essere tollerata dal drain alla source, ovvero il VDS massimo. È importante sapere qual è la tensione massima che un MOSFET può sopportare i cambiamenti con la temperatura. I progettisti devono testare le variazioni di tensione sull'intero intervallo di temperature operative. La tensione nominale deve avere un margine sufficiente per coprire questo intervallo di variazione per garantire che il circuito non si guasti. Altri fattori di sicurezza che i progettisti devono considerare includono i transitori di tensione indotti dalla commutazione di componenti elettronici come motori o trasformatori. Le tensioni nominali variano a seconda delle diverse applicazioni; in genere, 20 V per dispositivi portatili, 20-30 V per alimentatori FPGA e 450-600 V per applicazioni da 85-220 V CA.
Passaggio 2: determinare la corrente nominale
Il secondo passo è scegliere la valutazione attuale del MOSFET. A seconda della configurazione del circuito, questa corrente nominale dovrebbe essere la corrente massima che il carico può sopportare in tutte le circostanze. Analogamente alla situazione di tensione, il progettista deve garantire che il MOSFET selezionato possa resistere a questa corrente nominale, anche quando il sistema genera picchi di corrente. Le due condizioni di corrente considerate sono la modalità continua e il picco di impulso. Nella modalità di conduzione continua, il MOSFET è in uno stato stazionario, dove la corrente scorre continuamente attraverso il dispositivo. Un picco di impulso si riferisce a un grande picco (o picco di corrente) che scorre attraverso il dispositivo. Una volta determinata la corrente massima in queste condizioni, è semplicemente questione di selezionare un dispositivo in grado di gestire questa corrente massima. Dopo aver selezionato la corrente nominale è necessario calcolare anche la perdita di conduzione. Nelle situazioni reali, il MOSFET non è un dispositivo ideale perché durante il processo di conduzione si verifica una perdita di energia elettrica, chiamata perdita di conduzione. Un MOSFET si comporta come un resistore variabile quando "on", che è determinato dall'RDS(ON) del dispositivo e cambia in modo significativo con la temperatura. La potenza dissipata del dispositivo può essere calcolata con Iload2×RDS(ON). Poiché la resistenza cambia con la temperatura, anche la perdita di potenza cambierà proporzionalmente. Maggiore è la tensione VGS applicata al MOSFET, minore sarà l'RDS(ON); viceversa, maggiore sarà l'RDS(ON). Per il progettista del sistema, è qui che entrano in gioco i compromessi a seconda della tensione del sistema. Per i progetti portatili è più semplice (e più comune) utilizzare tensioni più basse, mentre per i progetti industriali è possibile utilizzare tensioni più elevate. Si noti che la resistenza RDS(ON) aumenterà leggermente con la corrente. Le variazioni dei vari parametri elettrici della resistenza RDS(ON) sono reperibili nella scheda tecnica fornita dal produttore. La tecnologia ha un impatto significativo sulle caratteristiche del dispositivo, poiché alcune tecnologie tendono ad aumentare l'RDS(ON) quando si aumenta il VDS massimo. Per tale tecnologia, se si intende ridurre VDS e RDS(ON), è necessario aumentare la dimensione del chip, aumentando così la dimensione del package corrispondente e i relativi costi di sviluppo. Nel settore esistono diverse tecnologie che tentano di controllare l'aumento delle dimensioni dei chip, le più importanti delle quali sono le tecnologie di bilanciamento dei canali e dei carichi. Nella tecnologia trench, nel wafer viene incorporato un fossato profondo, solitamente riservato alle basse tensioni, per ridurre la resistenza attiva RDS(ON). Per ridurre l'impatto del VDS massimo su RDS(ON), durante il processo di sviluppo è stato utilizzato un processo di colonna di crescita/colonna di attacco epitassiale. Ad esempio, Fairchild Semiconductor ha sviluppato una tecnologia chiamata SuperFET che aggiunge ulteriori fasi di produzione per la riduzione dell'RDS(ON). Questa attenzione all'RDS(ON) è importante perché all'aumentare della tensione di rottura di un MOSFET standard, l'RDS(ON) aumenta in modo esponenziale e porta ad un aumento delle dimensioni del die. Il processo SuperFET modifica la relazione esponenziale tra RDS(ON) e la dimensione del wafer in una relazione lineare. In questo modo, i dispositivi SuperFET possono raggiungere un basso RDS(ON) ideale in die di piccole dimensioni, anche con tensioni di rottura fino a 600 V. Il risultato è che la dimensione del wafer può essere ridotta fino al 35%. Per gli utenti finali, ciò significa una significativa riduzione delle dimensioni della confezione.
Fase tre: determinare i requisiti termici
Il passo successivo nella scelta di un MOSFET è calcolare i requisiti termici del sistema. I progettisti devono considerare due diversi scenari, lo scenario peggiore e lo scenario del mondo reale. Si consiglia di utilizzare il risultato del calcolo del caso peggiore, poiché questo risultato fornisce un margine di sicurezza maggiore e garantisce che il sistema non subisca guasti. Ci sono anche alcuni dati di misurazione che richiedono attenzione nella scheda tecnica del MOSFET; come la resistenza termica tra la giunzione del semiconduttore del dispositivo confezionato e l'ambiente e la temperatura massima di giunzione. La temperatura di giunzione del dispositivo è uguale alla temperatura ambiente massima più il prodotto della resistenza termica e della dissipazione di potenza (temperatura di giunzione = temperatura ambiente massima + [resistenza termica × dissipazione di potenza]). Secondo questa equazione si può risolvere la massima dissipazione di potenza del sistema, che per definizione è pari a I2×RDS(ON). Poiché il progettista ha determinato la corrente massima che passerà attraverso il dispositivo, è possibile calcolare RDS(ON) a diverse temperature. Vale la pena notare che quando si tratta di modelli termici semplici, i progettisti devono considerare anche la capacità termica della giunzione/involucro del dispositivo e dell'involucro/ambiente del semiconduttore; ciò richiede che il circuito stampato e il package non si riscaldino immediatamente. La rottura a valanga significa che la tensione inversa sul dispositivo a semiconduttore supera il valore massimo e forma un forte campo elettrico per aumentare la corrente nel dispositivo. Questa corrente dissiperà la potenza, aumenterà la temperatura del dispositivo e potrebbe danneggiarlo. Le aziende di semiconduttori condurranno test di valanga sui dispositivi, calcoleranno la loro tensione di valanga o testeranno la robustezza del dispositivo. Esistono due metodi per calcolare la tensione nominale di valanga; uno è il metodo statistico e l'altro è il calcolo termico. Il calcolo termico è ampiamente utilizzato perché è più pratico. Molte aziende hanno fornito dettagli sui test sui dispositivi. Ad esempio, Fairchild Semiconductor fornisce "Linee guida per le valanghe dei MOSFET di potenza" (linee guida per le valanghe dei MOSFET di potenza, scaricabili dal sito web di Fairchild). Oltre all’informatica, anche la tecnologia ha un grande influsso sull’effetto valanghe. Ad esempio, un aumento delle dimensioni dello stampo aumenta la resistenza alle valanghe e, in definitiva, aumenta la robustezza del dispositivo. Per gli utenti finali, ciò significa utilizzare pacchetti più grandi nel sistema.
Passaggio 4: determinare le prestazioni dello switch
Il passaggio finale nella selezione di un MOSFET è determinare le prestazioni di commutazione del MOSFET. Esistono molti parametri che influiscono sulle prestazioni di commutazione, ma i più importanti sono la capacità gate/drain, gate/source e drain/source. Questi condensatori creano perdite di commutazione nel dispositivo perché si caricano ad ogni commutazione. La velocità di commutazione del MOSFET viene quindi ridotta e anche l'efficienza del dispositivo viene ridotta. Per calcolare le perdite totali in un dispositivo durante la commutazione, il progettista deve calcolare le perdite durante l'accensione (Eon) e le perdite durante lo spegnimento (Eoff). La potenza totale dell'interruttore MOSFET può essere espressa dalla seguente equazione: Psw=(Eon+Eoff)×frequenza di commutazione. La carica di gate (Qgd) ha il maggiore impatto sulle prestazioni di commutazione. Data l'importanza delle prestazioni di commutazione, vengono costantemente sviluppate nuove tecnologie per risolvere questo problema di commutazione. L’aumento della dimensione del chip aumenta la carica del gate; questo aumenta le dimensioni del dispositivo. Al fine di ridurre le perdite di commutazione, sono emerse nuove tecnologie come l'ossidazione del fondo spesso del canale, con l'obiettivo di ridurre la carica di gate. Ad esempio, la nuova tecnologia SuperFET può ridurre al minimo le perdite di conduzione e migliorare le prestazioni di commutazione riducendo l'RDS (ON) e la carica di gate (Qg). In questo modo, i MOSFET possono far fronte ai transitori di tensione (dv/dt) e di corrente (di/dt) ad alta velocità durante la commutazione e possono funzionare in modo affidabile anche a frequenze di commutazione più elevate.
Orario di pubblicazione: 23 ottobre 2023
