Comparer les meilleurs MOSFET pour l'électronique de puissance

Les MOSFET sont parmi les composants les plus importants pour assurer une alimentation stable, une commutation rapide et de faibles pertes dans une gamme d'applications. En particulier, les MOSFET discrets jouent un rôle principal dans le contrôle des moteurs, la régulation de puissance, la logique spécialisée, les amplificateurs de haute puissance, l'éclairage et d'autres systèmes nécessitant un fort courant avec de faibles pertes. Si vous commencez à chercher sur le marché des composants, vous trouverez de multiples options de composants de la plupart des fabricants de semi-conducteurs. Il peut être difficile de naviguer parmi les différentes options et de faire des comparaisons, surtout quand il y a tant d'options de composants disponibles.

Aussi tentant que cela puisse être de penser qu'il existe un MOSFET parfait pour tout, il n'y a pas de MOSFET objectivement « meilleur » pour chaque système. Certains MOSFET ciblent des produits, des applications ou des industries spécifiques. D'autres visent le concepteur « haute puissance » ou « basse puissance ». Évaluer les compromis prend du temps, des compétences et de l'expérience, et tous les ingénieurs n'ont pas le temps de comparer chaque composant. Par conséquent, il est compréhensible que certains ingénieurs aient des MOSFET de prédilection qu'ils utilisent pour tout, même s'ils peuvent ainsi surdimensionner leurs systèmes et engendrer des coûts supplémentaires pour cette commodité.

Parce que nous tenons tant à aider les ingénieurs à accéder aux composants parfaits pour leurs produits, nous avons compilé une liste des meilleurs MOSFET pour une gamme d'applications en électronique de puissance. Certains de ces produits sont sélectionnés et comparés en fonction de leur popularité, tandis que d'autres sont moins connus ou plus récents et offrent un avantage majeur sur les options de MOSFET plus populaires.

Comparer les meilleurs MOSFET

Si vous recherchez la meilleure option de MOSFET pour votre nouvel appareil électronique, quelles sont les bonnes dimensions pour la comparaison ? Il existe plusieurs dimensions qui peuvent être utilisées pour comparer les MOSFET, allant des paramètres électriques de base à la performance en haute fréquence. D'abord, nous examinerons les spécifications électriques de base qui s'appliquent généralement aux MOSFET, puis nous regarderons des métriques de performance avancées importantes dans les applications spécialisées.

Spécifications électriques de base

Voici certaines des spécifications électriques importantes à considérer lors de la sélection des meilleurs MOSFET pour votre système.

• Limite de courant : C'est probablement la spécification la plus souvent utilisée pour sélectionner les meilleurs MOSFETs. Si la limite de courant est dépassée à une certaine résistance à l'état ON, la dissipation de chaleur dans le canal s'accélérera et le composant échouera rapidement.

• Résistance à l'état ON : C'est le pendant de la limite de courant. La résistance à l'état ON déterminera la quantité de puissance dissipée dans le canal et si le composant peut supporter un courant élevé.

• Limite de température : C'est juste une autre manière de quantifier la fiabilité. Les MOSFETs échoueront presque immédiatement si leur température de jonction dépasse la valeur nominale, donc cette spécification est critique dans les systèmes à haute fiabilité.

• Mode d'amélioration vs. mode d'appauvrissement : Cela détermine simplement comment la grille est modulée pour provoquer l'activation ou la désactivation du MOSFET pendant le fonctionnement.

• Tension de claquage : Cela indique simplement la tension nécessaire pour amener la diode de corps en polarisation inverse. Ces tensions ont tendance à être plutôt élevées, mais elles restent importantes dans les systèmes de haute puissance qui pourraient fonctionner à polarité négative.

• Temps de montée : Pour les applications de commutation, comme dans les convertisseurs à commutation, le temps de montée est une considération importante. Lorsqu'il est piloté avec un pilote d'impulsion PWM, le temps de montée devrait être plus court que les impulsions délivrées à la grille.

Il est acceptable de surdimensionner avec les MOSFETs, surtout pendant une pénurie de puces. Par exemple, vous pouvez toujours accepter une résistance à l'état ON plus faible pour assurer une faible perte de puissance et une dissipation de chaleur dans le canal, et vous pouvez toujours accepter une note de courant plus élevée à des fins de fiabilité. Avec les pénuries de composants semblant se déplacer d'une classe de composants à une autre, vous ne pouvez jamais dire quand votre MOSFET à trous traversants préféré sera soudainement en rupture de stock.

Métriques de performance plus avancées

Les points énumérés ci-dessus sont excellents pour les systèmes de faible puissance et de basse fréquence qui n'ont besoin que d'un composant générique sur silicium. Cependant, avec les nouvelles applications impliquant rapidement les produits de puissance RF devenant la norme, et avec la fiabilité étant un tel point d'attention dans certaines industries, d'autres métriques deviennent très importantes et formeront la base pour sélectionner les meilleurs MOSFETs.

• Plateforme de matériel : Le silicium est le matériau de choix pour la grande majorité des circuits intégrés, mais d'autres plateformes sont beaucoup plus souhaitables pour des applications avancées. Ce qui est important ici, c'est que la plage de fréquences à faibles pertes et la conductivité thermique sont des fonctions de la plateforme matérielle. Des alternatives comme le GaAs, le SiC et le GaN offrent toutes une conductivité thermique beaucoup plus élevée pour une puissance donnée à des fréquences plus élevées.

• Capacités d'entrée et de sortie : À des fréquences sans fil pratiques, ou dans des systèmes numériques ultra-rapides, la capacité devient importante car elle modifiera l'impédance d'entrée et limitera la bande passante du composant. À des fréquences très élevées (mmWave), les capacités d'entrée et de sortie peuvent former une boucle de rétroaction non intentionnelle qui permet à l'énergie de circuler dans une boucle fermée où le bruit est amplifié.

• Coefficients de température : Il existe plusieurs valeurs de coefficient de température qui doivent être considérées lors de la conception de systèmes à haute fiabilité. Ces coefficients sont également importants dans des applications comme la mesure de précision et l'électro-optique (par exemple, imagerie lidar de précision).

• Inductance : Les transistors en tant que circuit n'ont pas d'inductance, plutôt l'inductance provient du boîtier. L'inductance parasite dans l'emballage provient des fils électriques entre les plots et la puce. Cette valeur devrait être aussi basse que possible pour assurer un comportement idéal à haute fréquence.

Les plateformes de matériaux alternatifs sont assez importantes car elles permettent les technologies à venir comme la 5G et le radar à haute puissance, ainsi que des applications spécialisées comme la radio définie par logiciel. Bien qu'ils ne soient pas techniquement des MOSFETs, de plus en plus d'options de composants FET arrivent sur le marché, et une croissance est seulement attendue pour continuer.

Options de MOSFET populaires

Parmi la gamme de MOSFET disponibles chez les principaux fabricants, il y a trois MOSFET à canal N d'amélioration qui se démarquent comme étant très populaires :

• Infineon IRFZ44N, une bonne option pour une utilisation polyvalente

• 2N7002, un composant générique disponible chez plusieurs fabricants ciblant des applications à courant plus faible

• ON Semiconductor FQP30N06L, une option à faible perte et courant modéré pour de nombreuses applications

Ces options à canal N sont très populaires pour la régulation simple ou comme interrupteurs dans les systèmes d'alimentation, mais elles ont certaines caractéristiques qui les rendent très utiles dans un large éventail d'applications. Je considérerais ces composants comme polyvalents et idéaux comme pilotes dans le contrôle des moteurs et les convertisseurs DC-DC. Je ne les utiliserais pas dans des systèmes fonctionnant à des fréquences RF pour plusieurs raisons, que je détaillerai ci-dessous. Pour l'instant, examinons chacun de ces éléments plus en détail.

Infineon IRFZ44N

Le IRFZ44N d'Infineon est l'un des MOSFETs les plus populaires grâce à sa haute tension de claquage et son fort courant limite. Ce composant est disponible dans un boîtier TO-220 qui est préféré pour les applications commerciales et industrielles. La tension de claquage est évaluée à 60 V et le courant de sortie est évalué à 49 A DC maximum ou 160 A en impulsion à température ambiante. Le temps de mise en marche est également relativement rapide, atteignant environ 60 ns. Les courbes de transfert en impulsion ci-dessous montrent le courant de sortie à faible tension de commande de grille.

2N7002

J'ai listé ce MOSFET sans nom de fabricant spécifique car c'est un composant générique et est disponible chez plusieurs fabricants. Ce composant est parfois listé avec les numéros de pièces 2N7000, VQ1000J et VQ1000P sur la même fiche technique. Je me suis concentré sur le 2N7002, tel que ce composant de Vishay, car c'est une option à faible coût pour les applications à faible courant. Bien qu'il soit uniquement destiné à la livraison de faible courant (400 mA DC, ou 2 A en impulsion), il a une haute tension de claquage de 60 V, une faible résistance à l'état passant d'environ 1 Ohm, et un temps de mise en marche relativement court de 10-20 ns (selon la tension grille-source).

ON Semiconductor FQP30N06L

Le MOSFET FQP30N06L d'ON Semiconductor offre également une haute tension de claquage nécessaire dans les applications typiques de puissance DC pour consommateurs et automobiles. Il fournit un courant DC maximum légèrement inférieur de 32 A par rapport à l'IRFZ44N, mais il peut toujours délivrer de forts courants en impulsion de 128 A. La résistance à l'état passant est également inférieure à celle du 2N7002, atteignant environ 27 mOhm nominal. Le temps de commutation est beaucoup plus lent que le 2N7002 et est seulement d'environ 200 ns, mais cela reste suffisant pour une utilisation dans des régulateurs de commutation fonctionnant à quelques MHz ou moins de fréquences de commutation. Les caractéristiques de transfert DC à faible commande de grille sont montrées ci-dessous.

Le composant suivant est un FET GaN de haute puissance qui est utile dans une gamme d'applications à haute fréquence ou à haute puissance. Bien que les composants GaN et GaN-SiC soient généralement commercialisés pour des applications à haute fréquence, ils sont toujours utiles pour des produits de livraison de haute puissance/courant élevé car ils ont une conductivité thermique beaucoup plus élevée que le Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

Le GAN063-650WSAQ de Nexperia cible les applications de haute puissance. Ce FET GaN a une tension de 650 V, une résistance de 50 mOhm à une commande de grille de 10 V avec un courant de drain élevé de 34,5 A. La tension de seuil est seulement de 4 V, donc ce composant peut être piloté avec de petites sources PWM fonctionnant à des niveaux logiques. Cette plage de température de fonctionnement est également beaucoup plus large que ce que vous trouverez avec certains des meilleurs MOSFETs, allant de -55 à 175 °C. Ce composant est également qualifié AEC-Q101, ce qui en fait un excellent choix pour les applications automobiles ou d'autres environnements difficiles. La zone de fonctionnement sûr pour un courant pulsé atteignant plus de 100 A est montrée ci-dessous.

Autres composants importants pour les systèmes d'alimentation et moteurs

Les transistors, qu'ils soient discrets ou dans des circuits intégrés, sont des blocs de construction fondamentaux de l'électronique moderne et ne seront probablement jamais remplacés. Aussi fondamentaux qu'ils soient pour permettre l'électronique moderne, les systèmes avec des MOSFETs de puissance nécessitent de nombreux autres composants pour fonctionner correctement. Cela va des composants pour la mesure et la stabilité de la rétroaction, aux processeurs pour le contrôle et la configuration du système global. Certains composants que vous pourriez avoir besoin de supporter les systèmes d'alimentation basés sur MOSFET incluent :

• Un MCU, FPGA, ou MPU comme contrôleur de système

• Des chokes de mode commun pour le filtrage EMI

• Des composants de pilote de grille pour commuter les MOSFETs à haute tension de grille

• Des passifs avec des valeurs de courant élevées

Une fois que vous avez choisi votre chipset Wifi 6 et qu'il est temps de sélectionner d'autres composants de support, vous pouvez utiliser les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart pour trouver les composants dont vous avez besoin. Le moteur de recherche électronique sur Octopart peut vous aider à choisir des composants Wifi 6/6E par fabricant, spécifications techniques, et de nombreux autres filtres selon vos besoins. Vous pouvez également accéder aux données de prix des distributeurs, inventaires de pièces, spécifications des pièces, et données CAO, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de connecteurs pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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