Vergleich der besten MOSFETs für Leistungselektronik

Erstellt: April 25, 2022
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

MOSFETs sind einige der wichtigsten Komponenten, die an der stabilen Stromversorgung, schnellen Schaltung und geringen Verlusten in einer Reihe von Anwendungen beteiligt sind. Insbesondere diskrete MOSFETs spielen eine primäre Rolle in der Motorsteuerung, der Leistungsregelung, spezieller Logik, Hochleistungsverstärkern, Beleuchtung und anderen Systemen, die einen hohen Stromverbrauch bei geringen Verlusten erfordern. Wenn Sie sich auf dem Komponentenmarkt umsehen, finden Sie zahlreiche Komponentenoptionen von den meisten Halbleiterherstellern. Es kann schwierig sein, die verschiedenen Optionen zu navigieren und Vergleiche anzustellen, besonders wenn so viele Komponentenoptionen verfügbar sind.

So sehr wir auch denken möchten, dass es einen MOSFET gibt, der für alles großartig ist, gibt es keinen objektiv „besten“ MOSFET für jedes System. Einige MOSFETs zielen auf spezifische Produkte, Anwendungen oder Branchen ab. Andere richten sich an den allgemeinen „Hochleistungs“- oder „Niedrigleistungs“-Designer. Die Abwägung der Kompromisse erfordert Zeit, Geschick und Erfahrung, und nicht alle Ingenieure haben Zeit, jede Komponente zu vergleichen. Daher ist es verständlich, dass einige Ingenieure zu den MOSFETs greifen, die sie für alles verwenden, auch wenn sie möglicherweise ihre Systeme überdimensionieren und zusätzliche Kosten für solche Bequemlichkeiten in Kauf nehmen.

Weil wir es so wichtig finden, Ingenieuren den Zugang zu den perfekten Komponenten für ihre Produkte zu ermöglichen, haben wir eine Liste der besten MOSFETs für eine Reihe von Anwendungen in der Leistungselektronik zusammengestellt. Einige dieser Produkte werden aufgrund ihrer Beliebtheit ausgewählt und verglichen, während andere weniger bekannt oder neuere Komponenten sind, die einen großen Vorteil gegenüber den beliebteren MOSFET-Optionen bieten.

Vergleich der besten MOSFETs

Wenn Sie nach der besten MOSFET-Option für Ihr neues elektronisches Gerät suchen, welche sind die richtigen Dimensionen für den Vergleich? Es gibt mehrere Dimensionen, die zum Vergleich von MOSFETs verwendet werden können, von den grundlegenden elektrischen Parametern bis zur Hochfrequenzleistung. Zuerst werden wir uns die grundlegenden elektrischen Spezifikationen ansehen, die allgemein für MOSFETs gelten, dann werden wir uns fortgeschrittene Leistungsmerkmale ansehen, die in speziellen Anwendungen wichtig sind.

Grundlegende elektrische Spezifikationen

Hier sind einige der wichtigen elektrischen Spezifikationen, die bei der Auswahl der besten MOSFETs für Ihr System zu berücksichtigen sind.

Stromgrenze: Dies ist wahrscheinlich die Spezifikation, die am häufigsten verwendet wird, um die besten MOSFETs auszuwählen. Wenn die Stromgrenze bei einem bestimmten Einschaltwiderstand überschritten wird, beschleunigt sich die Wärmeabgabe im Kanal und das Bauteil wird schnell ausfallen.
Einschaltwiderstand: Dies ist das Gegenstück zur Stromgrenze. Der Einschaltwiderstand bestimmt die Menge der im Kanal abgegebenen Leistung und ob das Bauteil hohen Strom aushalten kann.
Temperaturgrenze: Dies ist einfach eine weitere Möglichkeit, die Zuverlässigkeit zu quantifizieren. MOSFETs werden fast sofort ausfallen, wenn ihre Sperrschichttemperatur den Nennwert überschreitet, daher ist diese Spezifikation in Hochzuverlässigkeitssystemen kritisch.
Anreicherungs- vs. Verarmungsmodus: Dies bestimmt einfach, wie das Gate moduliert wird, um den MOSFET während des Betriebs EIN- oder AUSzuschalten.
Durchbruchspannung: Dies gibt einfach die Spannung an, die erforderlich ist, um die Körperdiode in Sperrrichtung zu treiben. Diese Spannungen tendieren dazu, ziemlich hoch zu sein, sind aber dennoch wichtig in Hochleistungssystemen, die möglicherweise bei negativer Polarität betrieben werden.
Anstiegszeit: Bei Schaltanwendungen, wie in Schaltwandlern, ist die Anstiegszeit eine wichtige Überlegung. Wenn sie mit einem PWM-Pulstreiber betrieben wird, sollte die Anstiegszeit kürzer sein als die Pulse, die an das Gate geliefert werden.

Es ist in Ordnung, mit MOSFETs zu überdimensionieren, besonders während eines Chipmangels. Zum Beispiel können Sie immer einen niedrigeren Einschaltwiderstand akzeptieren, um geringe Leistungsverluste und Wärmeabgabe im Kanal zu gewährleisten, und Sie können immer eine höhere Strombewertung aus Zuverlässigkeitsgründen akzeptieren. Mit scheinbar von einer Bauteilklasse zur anderen wechselnden Komponentenknappheiten können Sie nie wissen, wann Ihr bevorzugter Durchsteck-MOSFET plötzlich knapp wird.

Weitere fortgeschrittene Leistungskennzahlen

Die oben aufgeführten Punkte sind großartig für Niederfrequenz-, Niedrigleistungssysteme, die nur eine generische Komponente auf Silizium benötigen. Jedoch, mit neueren Anwendungen, die RF-Leistungsprodukte schnell zur Norm werden lassen, und mit Zuverlässigkeit, die in einigen Branchen so einen großen Fokus hat, werden andere Kennzahlen ziemlich wichtig und bilden die Basis für die Auswahl der besten MOSFETs.

Materialplattform: Silizium ist das Material der Wahl für die überwiegende Mehrheit der integrierten Schaltkreise, aber andere Plattformen sind für fortgeschrittene Anwendungen viel wünschenswerter. Wichtig hierbei ist, dass der Bereich der geringen Verlustfrequenz und die Wärmeleitfähigkeit Funktionen der Materialplattform sind. Alternativen wie GaAs, SiC und GaN bieten alle eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit für eine gegebene Leistungsabgabe bei höheren Frequenzen.
Eingangs- und Ausgangskapazitäten: Bei praktischen drahtlosen Frequenzen oder in ultraschnellen digitalen Systemen wird die Kapazität wichtig, da sie die Eingangsimpedanz verändern und die Bandbreite der Komponente begrenzen wird. Bei sehr hohen Frequenzen (mmWelle) können die Eingangs- und Ausgangskapazitäten eine unbeabsichtigte Rückkopplungsschleife bilden, die es der Leistung ermöglicht, in einer geschlossenen Schleife zu fließen, in der Rauschen verstärkt wird.
Temperaturkoeffizienten: Es gibt mehrere Temperaturkoeffizientenwerte, die beim Entwurf von Systemen mit hoher Zuverlässigkeit berücksichtigt werden sollten. Diese Koeffizienten sind auch wichtig in Anwendungen wie Präzisionsmessung und Elektrooptik (z.B. präzise Lidar-Bildgebung).
Induktivität: Transistoren als Schaltung haben keine Induktivität, vielmehr kommt die Induktivität vom Gehäuse. Die parasitäre Induktivität in der Verpackung kommt von den elektrischen Leitungen zwischen den Pads/Stiften und dem Die. Dieser Wert sollte so niedrig wie möglich sein, um ein ideales Verhalten bei hohen Frequenzen zu gewährleisten.

Alternative Materialplattformen sind sehr wichtig, da sie aufkommende Technologien wie 5G und Hochleistungsradar sowie Spezialanwendungen wie softwaredefiniertes Radio ermöglichen. Obwohl sie technisch gesehen keine MOSFETs sind, kommen immer mehr dieser FET-Komponentenoptionen auf den Markt, und es wird erwartet, dass das Wachstum weiter anhält.

Beliebte MOSFET-Optionen

Unter der Vielzahl von MOSFETs, die von großen Herstellern angeboten werden, gibt es drei N-Kanal-Anreicherungs-MOSFETs, die als besonders beliebt hervorstechen:

Infineon IRFZ44N, eine gute Option für den allgemeinen Gebrauch
2N7002, eine generische Komponente, die von mehreren Herstellern für Anwendungen mit niedrigerem Strom angeboten wird
ON Semiconductor FQP30N06L, eine Option mit geringem Verlust und mäßigem Stromabfall für viele Anwendungen

Diese N-Kanal-Optionen sind sehr beliebt für einfache Regelungen oder als Schalter in Stromversorgungssystemen, aber sie haben einige Eigenschaften, die sie in einer breiten Palette von Anwendungen sehr nützlich machen. Ich würde diese Komponenten als allgemein verwendbar betrachten und ideal als Treiber in der Motorsteuerung und DC-DC-Wandlern. Ich würde sie nicht in Systemen verwenden, die mit RF-Frequenzen arbeiten, aus mehreren Gründen, die ich unten im Detail erläutern werde. Für jetzt schauen wir uns jedes dieser in etwas mehr Detail an.

Infineon IRFZ44N

Der IRFZ44N von Infineon ist einer der beliebtesten MOSFETs dank seiner hohen Durchbruchspannung und hohen Stromgrenze. Dieses Bauteil ist in einem TO-220-Gehäuse verfügbar, das für kommerzielle und industrielle Anwendungen bevorzugt wird. Die Durchbruchspannung ist mit 60 V bewertet und der Ausgangsstrom ist mit maximal 49 A DC oder 160 A gepulst bei Raumtemperatur bewertet. Die Einschaltzeit ist ebenfalls relativ schnell und erreicht etwa 60 ns. Die unten gezeigten gepulsten Transferkurven zeigen den Ausgangsstrom bei niedriger Gate-Ansteuerspannung.

2N7002

Ich habe diesen MOSFET ohne spezifischen Herstellernamen aufgeführt, da es sich um eine generische Komponente handelt, die von mehreren Herstellern erhältlich ist. Diese Komponente wird manchmal zusammen mit den Teilenummern 2N7000, VQ1000J und VQ1000P auf demselben Datenblatt aufgeführt. Ich habe mich auf den 2N7002, wie diese Komponente von Vishay, konzentriert, da es eine kostengünstige Option für Anwendungen mit niedrigem Strom ist. Obwohl es nur für die Lieferung von niedrigem Strom (400 mA DC oder 2 A gepulst) vorgesehen ist, hat es eine hohe Durchbruchspannung von 60 V, einen niedrigen Einschaltwiderstand von ~1 Ohm und eine relativ kurze Einschaltzeit von 10-20 ns (abhängig von der Gate-Source-Spannung).

ON Semiconductor FQP30N06L

Der FQP30N06L MOSFET von ON Semiconductor bietet ebenfalls eine hohe Durchbruchspannung, die in typischen Verbraucher- und Automobil-DC-Stromanwendungen notwendig ist. Er bietet einen etwas niedrigeren maximalen DC-Strom von 32 A im Vergleich zum IRFZ44N, kann aber immer noch hohe gepulste Ströme von 128 A liefern. Der Einschaltwiderstand ist ebenfalls niedriger als beim 2N7002 und erreicht nominal ~27 mOhm. Die Schaltzeit ist viel langsamer als beim 2N7002 und beträgt nur ~200 ns, aber das ist immer noch ausreichend für den Einsatz in Schaltreglern, die mit einigen MHz oder weniger Schaltfrequenzen arbeiten. Die DC-Übertragungscharakteristiken bei niedriger Gate-Ansteuerung sind unten gezeigt.

Die nächste Komponente ist ein Hochleistungs-GaN-FET, der in einer Reihe von Hochfrequenz- oder Hochleistungsanwendungen nützlich ist. Während GaN- und GaN-SiC-Komponenten typischerweise für Hochfrequenzanwendungen vermarktet werden, sind sie dennoch nützlich für Hochleistungs-/Hochstromlieferungsprodukte, da sie eine viel höhere thermische Leitfähigkeit als Si haben.

Nexperia GAN063-650WSAQ

Der GAN063-650WSAQ von Nexperia zielt auf Hochleistungsanwendungen ab. Dieser GaN FET hat eine Bewertung von 650 V, 50 mOhm bei 10 V Gate-Ansteuerung mit einem hohen Drainstrom von 34,5 A. Die Schwellenspannung beträgt nur 4 V, sodass diese Komponente mit kleinen PWM-Quellen betrieben werden kann, die auf Logikpegeln arbeiten. Die Betriebstemperaturbewertung ist ebenfalls viel breiter als bei einigen der besten MOSFETs, sie reicht von -55 bis 175 °C. Diese Komponente ist auch AEC-Q101 qualifiziert, was sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Automobilanwendungen oder andere raue Umgebungen macht. Der sichere Betriebsbereich für gepulsten Strom, der über 100 A erreicht, wird unten gezeigt.

Andere wichtige Komponenten für Strom- und Motorsysteme

Transistoren, sowohl diskrete als auch in integrierten Schaltkreisen, sind grundlegende Bausteine der modernen Elektronik und werden wahrscheinlich nie ersetzt werden. So grundlegend sie für die Ermöglichung moderner Elektronik sind, benötigen Systeme mit Power-MOSFETs viele andere Komponenten, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Diese reichen von Komponenten für Messung und Rückkopplungsstabilität bis hin zu Prozessoren für die Gesamtsystemsteuerung und -konfiguration. Einige Komponenten, die Sie möglicherweise zur Unterstützung von MOSFET-basierten Stromsystemen benötigen, umfassen:

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