Comparando los mejores MOSFETs para Electrónica de Potencia

Creado: Abril 25, 2022
Actualizado: Julio 1, 2024

MOSFETs importantes para la entrega de energía estable

Los MOSFET son algunos de los componentes más importantes involucrados en la entrega de energía estable, conmutación rápida y baja pérdida en una gama de aplicaciones. En particular, los MOSFET discretos juegan un papel primordial en el control de motores, regulación de potencia, lógica especializada, amplificadores de alta potencia, iluminación y otros sistemas que requieren un alto consumo de corriente con baja pérdida. Si comienzas a buscar en el mercado de componentes, encontrarás múltiples opciones de componentes de la mayoría de los fabricantes de semiconductores. Puede ser difícil navegar entre las diversas opciones y hacer comparaciones, especialmente cuando hay tantas opciones de componentes disponibles.

Tanto como nos gustaría pensar que hay un MOSFET que es genial para todo, no existe un MOSFET "mejor" de manera objetiva para cada sistema. Algunos MOSFET se enfocan en productos específicos, aplicaciones o industrias. Otros se dirigen al diseñador general de "alta potencia" o "baja potencia". Evaluar los compromisos lleva tiempo, habilidad y experiencia, y no todos los ingenieros tienen tiempo para comparar cada componente. Por lo tanto, es comprensible que algunos ingenieros tengan los MOSFET de preferencia que usan para todo, aunque puedan estar sobrediseñando sus sistemas y acumulando costos extras por tal conveniencia.

Porque nos importa mucho ayudar a los ingenieros a obtener acceso a los componentes perfectos para sus productos, hemos compilado una lista de los mejores MOSFET para una gama de aplicaciones en electrónica de potencia. Algunos de estos productos son seleccionados y comparados basados en su popularidad, mientras que otros son componentes menos conocidos o más nuevos que proporcionan una ventaja importante sobre las opciones de MOSFET más populares.

Comparando los Mejores MOSFET

Si estás buscando la mejor opción de MOSFET para tu nuevo dispositivo electrónico, ¿cuáles son las dimensiones correctas para comparar? Hay varias dimensiones que se pueden usar para comparar MOSFET, que van desde los parámetros eléctricos básicos hasta el rendimiento en alta frecuencia. Primero, veremos las especificaciones eléctricas básicas que se aplican generalmente a los MOSFET, luego veremos métricas de rendimiento más avanzadas que son importantes en aplicaciones especializadas.

Especificaciones Eléctricas Básicas

Aquí están algunas de las especificaciones eléctricas importantes a considerar al seleccionar los mejores MOSFET para tu sistema.

Límite de corriente: Esta es probablemente la especificación que más a menudo se utiliza para seleccionar los mejores MOSFETs. Si se supera el límite de corriente con una cierta resistencia en estado ON, la disipación de calor en el canal se acelerará y el componente fallará rápidamente.
Resistencia en estado ON: Esta es la contraparte del límite de corriente. La resistencia en estado ON determinará la cantidad de potencia disipada en el canal y si el componente puede soportar una alta corriente.
Límite de temperatura: Esta es simplemente otra forma de cuantificar la fiabilidad. Los MOSFETs fallarán casi inmediatamente si su temperatura de unión supera el valor nominal, por lo que esta especificación es crítica en sistemas de alta fiabilidad.
Modo de enriquecimiento vs. modo de depleción: Esto simplemente determina cómo se modula la puerta para causar que el MOSFET se active o desactive durante la operación.
Tensión de ruptura: Esto simplemente indica la tensión requerida para llevar el diodo del cuerpo a polarización inversa. Estas tensiones tienden a ser bastante altas, pero aún son importantes en sistemas de alta potencia que podrían funcionar con polaridad negativa.
Tiempo de subida: Para aplicaciones de conmutación, como en convertidores conmutados, el tiempo de subida es una consideración importante. Cuando se conduce con un controlador de pulso PWM, el tiempo de subida debe ser más corto que los pulsos entregados a la puerta.

Está bien sobrediseñar con MOSFETs, especialmente durante una escasez de chips. Por ejemplo, siempre puedes aceptar una resistencia en estado ON más baja para asegurar una baja pérdida de potencia y disipación de calor en el canal, y siempre puedes aceptar una calificación de corriente más alta por motivos de fiabilidad. Con las escaseces de componentes pareciendo desplazarse de una clase de componente a otra, nunca puedes decir cuándo tu MOSFET de montaje superficial preferido de repente estará en escasez.

Métricas de Rendimiento Más Avanzadas

Los puntos enumerados arriba son excelentes para sistemas de baja frecuencia y baja potencia que solo necesitan un componente genérico en silicio. Sin embargo, con las nuevas aplicaciones que involucran productos de potencia RF convirtiéndose rápidamente en la norma, y con la fiabilidad siendo un enfoque tan importante en algunas industrias, otras métricas se vuelven bastante importantes y formarán la base para seleccionar los mejores MOSFETs.

Plataforma de material: El silicio es el material de elección para la gran mayoría de los circuitos integrados, pero otras plataformas son mucho más deseables para aplicaciones avanzadas. Lo importante aquí es que el rango de frecuencia de baja pérdida y la conductividad térmica son funciones de la plataforma de material. Alternativas como GaAs, SiC y GaN ofrecen una conductividad térmica mucho mayor para una salida de potencia dada a frecuencias más altas.
Capacitancias de entrada y salida: En frecuencias inalámbricas prácticas, o en sistemas digitales ultra rápidos, la capacitancia se vuelve importante ya que modificará la impedancia de entrada y limitará el ancho de banda del componente. En frecuencias muy altas (mmWave), las capacitancias de entrada y salida pueden formar un bucle de retroalimentación no deseado que permite que la potencia fluya en un bucle cerrado donde el ruido se amplifica.
Coeficientes de temperatura: Hay múltiples valores de coeficiente de temperatura que deben considerarse al diseñar sistemas de alta fiabilidad. Estos coeficientes también son importantes en aplicaciones como la medición de precisión y electro-óptica (por ejemplo, imagen lidar de precisión).
Inductancia: Los transistores como circuito no tienen inductancia, más bien la inductancia proviene del paquete. La inductancia parásita en el empaquetado proviene de los conductores eléctricos entre los pads/posts y el die. Este valor debe ser lo más bajo posible para asegurar un comportamiento ideal a altas frecuencias.

Las plataformas de materiales alternativos son bastante importantes ya que habilitan tecnologías emergentes como 5G y radar de alta potencia, así como aplicaciones especializadas como radio definida por software. Aunque técnicamente no son MOSFETs, más opciones de componentes FET están llegando al mercado, y se espera que el crecimiento continúe.

Opciones populares de MOSFET

Entre la gama de MOSFETs disponibles de los principales fabricantes, hay tres MOSFETs de enriquecimiento de canal N que destacan por ser altamente populares:

Infineon IRFZ44N, una buena opción para uso general
2N7002, un componente genérico disponible de múltiples fabricantes que apunta a aplicaciones de corriente más baja
ON Semiconductor FQP30N06L, una opción de baja pérdida de corriente moderada para muchas aplicaciones

Estas opciones de canal N son muy populares para regulación simple o como interruptores en sistemas de potencia, pero tienen algunas características que los hacen muy útiles en una amplia gama de aplicaciones. Consideraría estos componentes como de propósito general e ideales como controladores en control de motores y convertidores DC-DC. No los usaría en sistemas que funcionan a frecuencias de RF por múltiples razones, las cuales detallaré más adelante. Por ahora, veamos cada uno de estos con un poco más de detalle.

Infineon IRFZ44N

El IRFZ44N de Infineon es uno de los MOSFETs más populares gracias a su alto voltaje de ruptura y alto límite de corriente. Este componente está disponible en un paquete TO-220 que es preferido para aplicaciones comerciales e industriales. El voltaje de ruptura está calificado en 60 V y la corriente de salida está calificada en un máximo de 49 A DC o 160 A en pulsos a temperatura ambiente. El tiempo de encendido también es relativamente rápido, alcanzando aproximadamente 60 ns. Las curvas de transferencia en pulsos a continuación muestran la corriente de salida a bajo voltaje de conducción de puerta.

2N7002

He listado este MOSFET sin un nombre específico de fabricante porque es un componente genérico y está disponible de múltiples fabricantes. Este componente a veces se lista junto con los números de parte 2N7000, VQ1000J y VQ1000P en la misma hoja de datos. Me he centrado en el 2N7002, como este componente de Vishay, ya que es una opción de bajo costo para aplicaciones de baja corriente. Aunque solo está destinado para la entrega de baja corriente (400 mA DC, o 2 A en pulsos), tiene un alto voltaje de ruptura de 60 V, baja resistencia en estado ON de ~1 Ohm y un tiempo de encendido relativamente corto de 10-20 ns (dependiendo del voltaje puerta-fuente).

ON Semiconductor FQP30N06L

El FQP30N06L MOSFET de ON Semiconductor también proporciona un alto voltaje de ruptura que es necesario en aplicaciones típicas de potencia DC para consumidores y automóviles. Proporciona una corriente máxima de DC ligeramente menor de 32 A en comparación con el IRFZ44N, pero aún puede entregar altas corrientes en pulsos de 128 A. La resistencia en estado ON también es más baja que la del 2N7002, alcanzando ~27 mOhm nominal. El tiempo de conmutación es mucho más lento que el del 2N7002 y es solo de ~200 ns, pero esto sigue siendo suficiente para su uso en reguladores de conmutación que operan a unas pocas MHz o menos frecuencias de conmutación. Las características de transferencia de DC a baja conducción de puerta se muestran a continuación.

El siguiente componente es un FET de GaN de alta potencia que es útil en una gama de aplicaciones de alta frecuencia o alta potencia. Aunque los componentes de GaN y GaN-SiC generalmente se comercializan para aplicaciones de alta frecuencia, también son útiles para productos de entrega de alta potencia/alta corriente ya que tienen una conductividad térmica mucho mayor que el Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

El GAN063-650WSAQ de Nexperia está dirigido a aplicaciones de alta potencia. Este FET de GaN tiene 650 V, una calificación de 50 mOhm a 10 V de impulso de puerta con una alta calificación de corriente de drenaje de 34.5 A. El voltaje de umbral es solo de 4 V, por lo que este componente puede ser impulsado con pequeñas fuentes PWM que operan a niveles lógicos. La calificación de temperatura de operación también es mucho más amplia de lo que encontrarás con algunos de los mejores MOSFETs, abarcando desde -55 hasta 175 °C. Este componente también está calificado AEC-Q101, lo que lo hace una excelente elección para aplicaciones automotrices u otros ambientes hostiles. El área segura de operación para corriente pulsada que alcanza más de 100 A se muestra a continuación.

Otros Componentes Importantes para Sistemas de Potencia y Motores

Los transistores, tanto discretos como en circuitos integrados, son bloques de construcción fundamentales de la electrónica moderna y probablemente nunca serán reemplazados. Tan fundamentales como son para habilitar la electrónica moderna, los sistemas con MOSFETs de potencia necesitan muchos otros componentes para operar correctamente. Estos van desde componentes para medición y estabilidad de retroalimentación, hasta procesadores para control y configuración del sistema en general. Algunos componentes que podrías necesitar para apoyar sistemas de potencia basados en MOSFET incluyen:

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