Comprendere MOSFET in un articolo

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.