В современных электронных системах требуются высокие частоты переключения для достижения соответствующего высокого КПД. Силовые полевые МОП-транзисторы (MOSFET) являются важным компонентом в энергоемких приложениях. Они имеют относительно низкий заряд затвора, что делает их хорошо подходящими для случаев использования в силовой электронике со средней и высокой мощностью. Этот более низкий заряд затвора снижает требования к управляющему току, обеспечивая высокие частоты и более высокий КПД.
В этой статье рассматриваются преимущества полевых МОП-транзисторов средней мощности в различных приложениях, их ограничения и соображения по выбору.
Роль силовых полевых МОП-транзисторов в электронных системах
Силовые МОП-транзисторы часто классифицируют по напряжению пробоя. В отличие от мощных и очень мощных полевых МОП-транзисторов с диапазоном напряжения пробоя 400–650 В и более 700 В соответственно, напряжение пробоя МОП-транзистора средней мощности находится в диапазоне от 30 до 350 В, что обеспечивает низкий заряд затвора и высокое сопротивление до 2,6 мОм (30 В). В результате многие разработчики включают полевые МОП-транзисторы средней мощности в конструкции своих систем питания.
Силовые МОП-транзисторы с более низкими диапазонами напряжения пробоя поддерживают более высокие скорости переключения. Примером этого является семейство мощных полевых МОП-транзисторов 6-го поколения компании ROHM. Они обычно доступны как в n-канальной, так и в p-канальной версиях и предлагают частоты переключения до 100 кГц. Интеграция мощных полевых МОП-транзисторов на печатные платы имеет решающее значение для обеспечения высоких скоростей переключения и высокого КПД при более низких напряжениях по сравнению с другими полупроводниковыми устройствами, такими как тиристоры и IGBT, что значительно снижает потери энергии и время обратного восстановления.
Преимущества и ограничения силовых полевых МОП-транзисторов
Силовые полевые МОП-транзисторы имеют ряд преимуществ для широкого спектра приложений. К данным преимуществам относятся:
- Невысокая стоимость
- Компактный размер для легкой интеграции с силовой электроникой
- Повышенная скорость переключения
- Работа на высоких частотах переключения (снижает потери энергии)
- Простая схема управления затвором
- Термически стабильный благодаря неотрицательному коэффициенту мощности
- Низкое сопротивление во включенном состоянии (помогает ограничить потери мощности)
- Не требует дополнительных схем для коммутации
Однако мощность полевых МОП-транзисторов ограничена их блокирующей способностью, которая не является симметричной. Это защищает их от прямых скачков напряжения, но также делает их уязвимыми для обратных напряжений. Следовательно, им требуется дополнительный диод для защиты от скачков обратного напряжения.
Силовые МОП-транзисторы в промышленных приложениях
Силовые МОП-транзисторы обычно используются в системах с требованиями к напряжению в пределах порога 350 В. Их низкое сопротивление во включенном состоянии особенно привлекательно для большинства применений. Они уменьшают рассеивание мощности, обеспечивая снижение затрат, сокращение размеров и требуемого охлаждения, что приводит к всестороннему улучшению электронных систем питания. Некоторые промышленные приложения, в которых используются силовые полевые МОП-транзисторы, включают коммутацию нагрузки, DC/DC преобразователи, источники питания и управление низковольтными двигателями.
Факторы, которые следует учитывать при выборе силовых полевых МОП-транзисторов
Далее приведены основные параметры, на которые следует обратить внимание при выборе силовых полевых МОП-транзисторов для мощных приложений:
- Тип канала
- Максимальное напряжение сток-исток
- Сопротивление сток-исток
- Корпус
- Порог напряжения затвора
- Максимальный постоянный ток стока
- Заряд затвора
Тип канала
Данный параметр относится к природе кремниевой конструкции, встроенной в устройство. Мощный n-канальный МОП-транзистор включается при положительном напряжении на затворе относительно истока, в то время как мощный p-канальный МОП-транзистор включается при отрицательном напряжении затвор-исток. Знание положения устройства в системе позволяет разработчику принять решение о том, какой тип будет более подходящим.
Максимальное напряжение сток-исток
Этот параметр выбирается с учетом способности устройства блокировать подаваемое на него напряжение в выключенном состоянии. Общее правило, которому следует большинство проектировщиков, заключается в выборе компонента с номинальным напряжением, в два раза превышающим ожидаемое напряжение, подаваемое на сток. Это связано с тем, что короткие скачки напряжения выше входного напряжения являются обычным явлением в электрических системах со встроенными полевыми МОП-транзисторами.
Сопротивление сток-исток
Этот критический параметр влияет на тепло, выделяемое полупроводниковым устройством при проведении электричества. Разработчики должны учитывать соответствующие значения RDS(on) при определенном напряжении пробоя источника (VGS) и рабочих температурах, прежде чем выбирать идеальный мощный полевой МОП-транзистор для своих приложений.
Корпус
Корпус полевого МОП-транзистора следует выбирать на основе тепловых и механических требований конструкции. Кроме того, пространство на плате и физическая компоновка заставляют разработчиков предпочитать одни устройства другим, поскольку это влияет на их тепловые характеристики в конструкциях с высоким током или рассеиванием мощности.
Порог напряжения затвора
Этот порог определяет напряжение, при котором силовой МОП-транзистор начнет проводить ток. Следовательно, более низкий порог напряжения затвора позволяет МОП-транзистору быстрее включаться для полной проводимости тока. Принимая во внимание выходные напряжения микроконтроллера системы управления и драйвера затвора, разработчики могут затем выбрать наиболее подходящий мощный полевой МОП-транзистор для своих приложений.
Максимальный постоянный ток стока
Это максимальный ток, который устройство может выдержать при определенной рабочей температуре. Ссылаясь на кривые безопасной рабочей области в технических описаниях, разработчики систем могут определить требуемый ток для своих силовых MOSFET.
Заряд затвора
Количество заряда, необходимое для полного включения устройства, известно как заряд затвора (Qg). МОП-транзисторы меньшей мощности имеют более низкое значение Qg, что приводит к более высокой эффективности операций переключения.
© digitrode.ru