Confronto tra i migliori MOSFET per l'elettronica di potenza

Creato: aprile 25, 2022
Aggiornato: luglio 1, 2024

I MOSFET sono alcuni dei componenti più importanti coinvolti nella fornitura di potenza stabile, commutazione rapida e bassa perdita in una gamma di applicazioni. In particolare, i MOSFET discreti svolgono un ruolo primario nel controllo dei motori, nella regolazione della potenza, nella logica specializzata, negli amplificatori di alta potenza, nell'illuminazione e in altri sistemi che richiedono un alto assorbimento di corrente con bassa perdita. Se iniziate a cercare nel mercato dei componenti, troverete molteplici opzioni di componenti dalla maggior parte dei produttori di semiconduttori. Può essere difficile navigare tra le varie opzioni e fare confronti, specialmente quando ci sono così tante opzioni di componenti disponibili.

Per quanto ci piacerebbe pensare che esista un MOSFET perfetto per tutto, non esiste un MOSFET oggettivamente “migliore” per ogni sistema. Alcuni MOSFET sono destinati a prodotti specifici, applicazioni o industrie. Altri si rivolgono al progettista generale “ad alta potenza” o “a bassa potenza”. Valutare i compromessi richiede tempo, competenza ed esperienza, e non tutti gli ingegneri hanno tempo per confrontare ogni componente. Pertanto, è comprensibile che alcuni ingegneri abbiano i MOSFET di fiducia che usano per tutto, anche se potrebbero essere sovraprogettando i loro sistemi e accumulando costi extra per tale comodità.

Perché ci teniamo tanto ad aiutare gli ingegneri ad accedere ai componenti perfetti per i loro prodotti, abbiamo compilato un elenco dei migliori MOSFET per una gamma di applicazioni nell'elettronica di potenza. Alcuni di questi prodotti sono selezionati e confrontati sulla base della loro popolarità, mentre altri sono componenti meno noti o più recenti che offrono un vantaggio maggiore rispetto alle opzioni MOSFET più popolari.

Confrontare i Migliori MOSFET

Se stai cercando la migliore opzione MOSFET per il tuo nuovo dispositivo elettronico, quali sono le giuste dimensioni per il confronto? Ci sono diverse dimensioni che possono essere utilizzate per confrontare i MOSFET, che vanno dai parametri elettrici di base alle prestazioni ad alta frequenza. Prima, esamineremo le specifiche elettriche di base che si applicano generalmente ai MOSFET, poi guarderemo le metriche di prestazione più avanzate che sono importanti in applicazioni specialistiche.

Specifiche Elettriche di Base

Ecco alcune delle specifiche elettriche importanti da considerare quando si selezionano i migliori MOSFET per il vostro sistema.

Limite di corrente: Questa è probabilmente la specifica che viene utilizzata più spesso per selezionare i migliori MOSFET. Se il limite di corrente viene superato a una certa resistenza allo stato ON, la dissipazione di calore nel canale accelererà e il componente fallirà rapidamente.
Resistenza allo stato ON: Questa è la controparte del limite di corrente. La resistenza allo stato ON determinerà la quantità di potenza dissipata nel canale e se il componente può sopportare una corrente elevata.
Limite di temperatura: Questo è semplicemente un altro modo per quantificare l'affidabilità. I MOSFET falliranno quasi immediatamente se la loro temperatura di giunzione supera il valore nominale, quindi questa specifica è critica nei sistemi ad alta affidabilità.
Modalità di potenziamento vs. esaurimento: Questo determina semplicemente come viene modulato il gate per far sì che il MOSFET si accenda o si spenga durante il funzionamento.
Tensione di rottura: Questo indica semplicemente la tensione necessaria per portare il diodo di corpo in polarizzazione inversa. Queste tensioni tendono ad essere piuttosto alte, ma sono comunque importanti nei sistemi ad alta potenza che potrebbero funzionare a polarità negativa.
Tempo di salita: Per applicazioni di commutazione, come nei convertitori di commutazione, il tempo di salita è un'importante considerazione. Quando viene pilotato con un driver a impulsi PWM, il tempo di salita dovrebbe essere più breve degli impulsi forniti al gate.

È accettabile sovradimensionare con i MOSFET, specialmente durante una carenza di chip. Ad esempio, si può sempre accettare una resistenza allo stato ON inferiore per garantire una bassa perdita di potenza e una dissipazione di calore nel canale, e si può sempre accettare una valutazione di corrente più alta per scopi di affidabilità. Con le carenze di componenti che sembrano spostarsi da una classe di componenti all'altra, non si può mai dire quando il tuo MOSFET passante preferito sarà improvvisamente in esaurimento.

Metriche di Prestazione Più Avanzate

I punti elencati sopra sono ottimi per sistemi a bassa frequenza e bassa potenza che necessitano solo di un componente generico su silicio. Tuttavia, con le nuove applicazioni che coinvolgono prodotti di potenza RF che diventano rapidamente la norma, e con l'affidabilità che è un focus così importante in alcune industrie, altre metriche diventano molto importanti e formeranno la base per la selezione dei migliori MOSFET.

Piattaforma materiale: Il silicio è il materiale di scelta per la grande maggioranza dei circuiti integrati, ma altre piattaforme sono molto più desiderabili per applicazioni avanzate. Ciò che è importante qui è che l'intervallo di frequenza a bassa perdita e la conducibilità termica sono funzioni della piattaforma materiale. Alternative come GaAs, SiC e GaN offrono tutte una conducibilità termica molto più elevata per una data potenza in uscita a frequenze più alte.
Capacitanze di ingresso e uscita: A frequenze wireless pratiche, o in sistemi digitali ultra-veloci, la capacitanza diventa importante poiché modificherà l'impedenza di ingresso e limiterà la larghezza di banda del componente. A frequenze molto alte (mmWave), le capacitance di ingresso e uscita possono formare un loop di feedback non intenzionale che permette il flusso di potenza in un circuito chiuso dove il rumore viene amplificato.
Coefficienti di temperatura: Ci sono molteplici valori di coefficiente di temperatura che dovrebbero essere considerati quando si progettano sistemi ad alta affidabilità. Questi coefficienti sono importanti anche in applicazioni come la misurazione di precisione e l'elettro-ottica (es., imaging lidar di precisione).
Induttanza: I transistor come circuito non hanno induttanza, piuttosto l'induttanza proviene dal pacchetto. L'induttanza parassita nel pacchetto proviene dai conduttori elettrici tra i pad/post e il die. Questo valore dovrebbe essere il più basso possibile per garantire un comportamento ideale ad alte frequenze.

Le piattaforme materiali alternative sono piuttosto importanti poiché abilitano tecnologie emergenti come il 5G e radar ad alta potenza, così come applicazioni speciali come la radio definita dal software. Anche se tecnicamente non sono MOSFET, sempre più opzioni di componenti FET stanno entrando nel mercato, e si prevede che la crescita continuerà.

Opzioni MOSFET Popolari

Tra la gamma di MOSFET disponibili dai principali produttori, ci sono tre MOSFET ad arricchimento di canale N che spiccano per la loro popolarità:

Infineon IRFZ44N, una buona opzione per uso generico
2N7002, un componente generico disponibile da più produttori per applicazioni a corrente più bassa
ON Semiconductor FQP30N06L, un'opzione a bassa perdita di corrente moderata adatta per molte applicazioni

Queste opzioni di canale N sono molto popolari per la regolazione semplice o come interruttori nei sistemi di alimentazione, ma hanno alcune caratteristiche che le rendono molto utili in una vasta gamma di applicazioni. Considererei questi componenti come di uso generale e ideali come driver nel controllo dei motori e nei convertitori DC-DC. Non li utilizzerei in sistemi che funzionano a frequenze RF per molteplici motivi, che dettaglierò in seguito. Per ora, diamo un'occhiata più da vicino a ciascuno di questi.

Infineon IRFZ44N

L'IRFZ44N di Infineon è uno dei MOSFET più popolari grazie alla sua alta tensione di rottura e al limite elevato di corrente. Questo componente è disponibile in un package TO-220 che è preferito per applicazioni commerciali e industriali. La tensione di rottura è valutata a 60 V e la corrente di uscita è valutata a un massimo di 49 A DC o 160 A in impulsi a temperatura ambiente. Anche il tempo di accensione è relativamente veloce, raggiungendo circa 60 ns. Le curve di trasferimento a impulsi qui sotto mostrano la corrente di uscita a bassa tensione di pilotaggio del gate.

Curve di trasferimento a impulsi dell'IRFZ44N

2N7002

Ho elencato questo MOSFET senza un nome specifico del produttore perché è un componente generico ed è disponibile da più produttori. Questo componente è talvolta elencato insieme ai numeri di parte 2N7000, VQ1000J e VQ1000P sullo stesso datasheet. Mi sono concentrato sul 2N7002, come questo componente di Vishay, poiché è un'opzione a basso costo per applicazioni a bassa corrente. Sebbene sia destinato solo alla fornitura di bassa corrente (400 mA DC, o 2 A in impulsi), ha un'alta tensione di rottura di 60 V, una bassa resistenza in stato ON di ~1 Ohm e un tempo di accensione relativamente breve di 10-20 ns (a seconda della tensione gate-source).

ON Semiconductor FQP30N06L

Il MOSFET FQP30N06L di ON Semiconductor offre anche un'alta tensione di rottura necessaria nelle tipiche applicazioni di alimentazione DC consumer e automotive. Fornisce una corrente massima DC leggermente inferiore, 32 A, rispetto all'IRFZ44N, ma può comunque erogare alte correnti in impulsi di 128 A. La resistenza in stato ON è anche inferiore rispetto al 2N7002, raggiungendo un nominale di ~27 mOhm. Il tempo di commutazione è molto più lento rispetto al 2N7002 ed è solo di ~200 ns, ma ciò è comunque sufficiente per l'uso in regolatori di commutazione che operano a frequenze di commutazione di alcuni MHz o meno. Le caratteristiche di trasferimento DC a bassa tensione di pilotaggio del gate sono mostrate qui sotto.

Caratteristiche di trasferimento DC del FQP30N06L

Il componente successivo è un FET GaN ad alta potenza che è utile in una gamma di applicazioni ad alta frequenza o ad alta potenza. Sebbene i componenti GaN e GaN-SiC siano tipicamente commercializzati per applicazioni ad alta frequenza, sono comunque utili per prodotti ad alta potenza/alta corrente poiché hanno una conduttività termica molto più elevata rispetto al Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

Il GAN063-650WSAQ di Nexperia è destinato ad applicazioni ad alta potenza. Questo GaN FET ha una valutazione di 650 V, 50 mOhm a 10 V di pilotaggio del gate con una corrente di drenaggio elevata di 34,5 A. La tensione di soglia è solo di 4 V, quindi questo componente può essere pilotato con piccole fonti PWM che operano a livelli logici. Anche la valutazione della temperatura di esercizio è molto più ampia di quanto troverai con alcuni dei migliori MOSFET, variando da -55 a 175 °C. Questo componente è anche qualificato AEC-Q101, rendendolo un'ottima scelta per applicazioni automotive o altri ambienti difficili. L'area di sicurezza operativa per la corrente impulsiva che supera i 100 A è mostrata di seguito.

Altri Componenti Importanti per Sistemi di Alimentazione e Motori

I transistor, sia discreti che in circuiti integrati, sono blocchi fondamentali dell'elettronica moderna e probabilmente non verranno mai sostituiti. Fondamentali come sono per abilitare l'elettronica moderna, i sistemi con MOSFET di potenza necessitano di molti altri componenti per funzionare correttamente. Questi vanno dai componenti per la misurazione e la stabilità del feedback, ai processori per il controllo e la configurazione del sistema generale. Alcuni componenti che potresti aver bisogno di supportare i sistemi di potenza basati su MOSFET includono:

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