전력 전자를 위한 최고의 MOSFET 비교

작성 날짜: 사월 25, 2022
업데이트 날짜: 칠월 1, 2024

MOSFET은 안정적인 전력 공급, 빠른 스위칭, 다양한 응용 분야에서의 낮은 손실에 관여하는 가장 중요한 구성 요소 중 일부입니다. 특히, 개별 MOSFET은 모터 제어, 전력 조절, 특수 로직, 고전력 증폭기, 조명 및 낮은 손실로 높은 전류를 필요로 하는 기타 시스템에서 주요한 역할을 합니다. 구성 요소 시장을 둘러보기 시작하면 대부분의 반도체 제조업체에서 여러 구성 요소 옵션을 찾을 수 있습니다. 사용 가능한 구성 요소 옵션이 너무 많아 다양한 옵션을 탐색하고 비교하는 것이 어려울 수 있습니다.

모든 시스템에 완벽한 MOSFET이 있다고 생각하고 싶지만, 모든 시스템에 객관적으로 "최고"인 MOSFET은 없습니다. 일부 MOSFET은 특정 제품, 응용 프로그램 또는 산업을 대상으로 합니다. 다른 MOSFET은 일반적인 "고전력" 또는 "저전력" 설계자를 대상으로 합니다. 트레이드오프를 고려하는 것은 시간, 기술 및 경험이 필요하며 모든 엔지니어가 모든 구성 요소를 비교할 시간이 있는 것은 아닙니다. 따라서 일부 엔지니어가 시스템을 과도하게 설계하고 이러한 편리함에 대해 추가 비용을 지불하더라도 모든 것에 사용하는 선호하는 MOSFET이 있는 것은 이해할 수 있습니다.

우리는 엔지니어가 제품에 완벽한 구성 요소에 액세스할 수 있도록 돕는 것을 매우 중요하게 생각하기 때문에, 다양한 전력 전자 응용 분야에 대한 최고의 MOSFET 목록을 컴파일했습니다. 이러한 제품 중 일부는 인기도를 기반으로 선택 및 비교되며, 다른 제품은 덜 알려지거나 더 인기 있는 MOSFET 옵션보다 주요한 이점을 제공하는 새로운 구성 요소입니다.

최고의 MOSFET 비교

새로운 전자 장치에 최적의 MOSFET 옵션을 찾고 있다면, 비교를 위한 올바른 차원은 무엇일까요? MOSFET을 비교하는 데 사용할 수 있는 여러 차원이 있으며, 기본 전기 매개변수부터 고주파 성능에 이르기까지 다양합니다. 먼저, 일반적으로 MOSFET에 적용되는 기본 전기 사양을 살펴본 다음, 특수 응용 분야에서 중요한 보다 고급 성능 지표를 살펴보겠습니다.

기본 전기 사양

시스템에 가장 적합한 MOSFET을 선택할 때 고려해야 할 중요한 전기 사양은 다음과 같습니다.

전류 한계: 이것은 아마도 최적의 MOSFET을 선택하는 데 가장 자주 사용되는 사양일 것입니다. 특정 ON 상태 저항에서 전류 한계를 초과하면 채널에서의 열 발산이 가속화되고 구성 요소는 빠르게 고장날 것입니다.
ON 상태 저항: 이것은 전류 한계의 대응 사항입니다. ON 상태 저항은 채널에서 발산되는 전력의 양과 구성 요소가 높은 전류를 견딜 수 있는지를 결정합니다.
온도 한계: 이것은 단순히 신뢰성을 정량화하는 또 다른 방법입니다. MOSFET의 접합 온도가 정격 값을 초과하면 거의 즉시 실패하므로, 이 사양은 고신뢰성 시스템에서 매우 중요합니다.
증강 대 소모 모드: 이것은 단순히 게이트가 작동 중에 MOSFET을 켜거나 끄는 원인이 되는 방식을 결정합니다.
내압: 이것은 바디 다이오드를 역방향 바이어스로 구동하는 데 필요한 전압을 단순히 명시합니다. 이러한 전압은 상당히 높을 수 있지만, 음극에서 작동할 수 있는 고전력 시스템에서는 여전히 중요합니다.
상승 시간: 스위칭 컨버터와 같은 스위칭 애플리케이션의 경우, 상승 시간은 중요한 고려 사항입니다. PWM 펄스 드라이버로 구동될 때, 상승 시간은 게이트로 전달되는 펄스보다 짧아야 합니다.

MOSFET을 과도하게 설계하는 것은 특히 칩 부족 시에는 괜찮습니다. 예를 들어, 채널에서의 낮은 전력 손실과 열 발산을 보장하기 위해 낮은 ON 상태 저항을 항상 받아들일 수 있으며, 신뢰성 목적으로 더 높은 전류 등급을 항상 받아들일 수 있습니다. 구성 요소 부족이 한 구성 요소 클래스에서 다른 클래스로 이동하는 것처럼 보이는 상황에서, 선호하는 스루홀 MOSFET이 갑자기 부족해질 때를 결코 알 수 없습니다.

더 고급 성능 지표

위에 나열된 사항들은 실리콘 위에 일반적인 구성 요소만 필요로 하는 저주파, 저전력 시스템에는 좋습니다. 그러나 RF 전력 제품을 포함하는 새로운 애플리케이션이 빠르게 표준이 되고 있으며, 일부 산업에서 신뢰성이 그렇게 중요한 초점이 되면서, 다른 지표가 매우 중요해지고 최적의 MOSFET을 선택하는 기준이 될 것입니다.

재료 플랫폼: 실리콘은 대부분의 집적 회로에 선택되는 재료이지만, 고급 응용 프로그램에는 다른 플랫폼이 훨씬 더 바람직합니다. 여기서 중요한 것은 저손실 주파수 범위와 열전도율이 재료 플랫폼의 기능이라는 점입니다. GaAs, SiC, GaN과 같은 대안들은 주어진 출력에서 더 높은 주파수에서 훨씬 더 높은 열전도율을 제공합니다.
입력 및 출력 용량: 실용적인 무선 주파수에서, 또는 초고속 디지털 시스템에서, 용량은 입력 임피던스를 수정하고 구성 요소의 대역폭을 제한할 수 있기 때문에 중요해집니다. 매우 높은 주파수(mmWave)에서 입력 및 출력 용량은 노이즈가 증폭되는 폐쇄 루프에서 전력이 흐를 수 있는 의도하지 않은 피드백 루프를 형성할 수 있습니다.
온도 계수: 고신뢰성 시스템을 설계할 때 고려해야 할 여러 온도 계수 값이 있습니다. 이러한 계수는 정밀 측정 및 전기 광학(예: 정밀 라이다 이미징)과 같은 응용 프로그램에서도 중요합니다.
인덕턴스: 회로로서의 트랜지스터는 인덕턴스가 없지만, 인덕턴스는 패키지에서 비롯됩니다. 패키지 내의 기생 인덕턴스는 패드/포스트와 다이 사이의 전기 리드에서 비롯됩니다. 이 값은 고주파에서 이상적인 동작을 보장하기 위해 가능한 한 낮아야 합니다.

대체 재료 플랫폼은 5G 및 고전력 레이더와 같은 차세대 기술뿐만 아니라 소프트웨어 정의 라디오와 같은 특수 응용 프로그램을 가능하게 하기 때문에 매우 중요합니다. 기술적으로 MOSFET은 아니지만, 이러한 FET 구성 요소 옵션은 시장에 점점 더 많이 등장하고 있으며 성장이 계속될 것으로 예상됩니다.

인기 있는 MOSFET 옵션

주요 제조업체에서 제공하는 다양한 MOSFET 중에서 세 가지 N-채널 증강 MOSFET이 특히 인기가 있습니다:

일반적인 용도에 좋은 옵션인 Infineon IRFZ44N
낮은 전류 응용 프로그램을 대상으로 하는 여러 제조업체에서 제공하는 일반적인 구성 요소인 2N7002
많은 응용 프로그램에서 저손실 중간 전류 드롭인 옵션인 ON Semiconductor FQP30N06L

이 N-채널 옵션은 전력 시스템에서 간단한 조절이나 스위치로 매우 인기가 있지만, 다양한 응용 프로그램에서 매우 유용한 특성을 가지고 있습니다. 이 구성 요소들을 일반적인 용도로 간주하며 모터 제어 및 DC-DC 컨버터에서 드라이버로 이상적이라고 생각합니다. RF 주파수에서 작동하는 시스템에서는 여러 가지 이유로 이를 사용하지 않을 것입니다. 지금은 이러한 각각에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

Infineon IRFZ44N

인피니언의 IRFZ44N은 높은 내압과 높은 전류 한계 덕분에 가장 인기 있는 MOSFET 중 하나입니다. 이 부품은 상업 및 산업용 애플리케이션에 선호되는 TO-220 패키지로 제공됩니다. 내압은 60 V로 평가되며 출력 전류는 실온에서 최대 49 A DC 또는 160 A 펄스로 평가됩니다. 켜짐 시간도 상대적으로 빠르며 약 60 ns에 도달합니다. 아래의 펄스 전달 곡선은 낮은 게이트 구동 전압에서의 출력 전류를 보여줍니다.

2N7002

이 MOSFET은 여러 제조업체에서 제공되는 일반적인 부품이기 때문에 특정 제조업체 이름 없이 나열했습니다. 이 부품은 때때로 2N7000, VQ1000J, VQ1000P와 같은 부품 번호와 함께 데이터시트에 나열됩니다. 저는 저전류 애플리케이션을 위한 저렴한 옵션인 Vishay의 2N7002에 초점을 맞췄습니다. 이 부품은 저전류 전달(400 mA DC 또는 2 A 펄스)만을 목적으로 하지만, 60 V의 높은 내압, ~1 옴의 낮은 온 상태 저항, 그리고 상대적으로 짧은 켜짐 시간(게이트-소스 전압에 따라 10-20 ns)을 가집니다.

ON Semiconductor FQP30N06L

ON Semiconductor의 FQP30N06L MOSFET도 일반적인 소비자 및 자동차 DC 전원 애플리케이션에 필요한 높은 내압을 제공합니다. IRFZ44N에 비해 최대 DC 전류가 약간 낮은 32 A를 제공하지만 여전히 128 A의 높은 펄스 전류를 전달할 수 있습니다. 온 상태 저항도 2N7002보다 낮아 약 ~27 m옴의 명목값에 도달합니다. 스위칭 시간은 2N7002보다 훨씬 느리며 약 ~200 ns에 불과하지만, 몇 MHz 이하의 스위칭 주파수에서 작동하는 스위칭 레귤레이터에 사용하기에는 여전히 충분합니다. 낮은 게이트 구동에서의 DC 전달 특성은 아래에 나와 있습니다.

다음 부품은 고주파 또는 고전력 애플리케이션에 유용한 고전력 GaN FET입니다. GaN 및 GaN-SiC 부품은 일반적으로 고주파 애플리케이션을 위해 마케팅되지만, Si보다 훨씬 높은 열전도율을 가지고 있기 때문에 고전력/고전류 전달 제품에도 여전히 유용합니다.

Nexperia GAN063-650WSAQ

Nexperia의 GAN063-650WSAQ는 고전력 응용 분야를 목표로 합니다. 이 GaN FET는 10V 게이트 드라이브에서 650V, 50 mOhm 등급을 가지며, 34.5A의 높은 드레인 전류 등급을 가집니다. 문턱 전압은 단지 4V이므로, 이 부품은 로직 레벨에서 작동하는 작은 PWM 소스로 구동될 수 있습니다. 이 운영 온도 등급은 또한 일부 최고의 MOSFET에서 찾을 수 있는 것보다 훨씬 넓은 범위를 가지고 있으며, -55에서 175°C까지 확장됩니다. 이 부품은 또한 AEC-Q101 자격을 갖추고 있어, 자동차 응용 프로그램이나 다른 가혹한 환경에 탁월한 선택입니다. 100A 이상의 펄스 전류에 대한 안전 운영 영역은 아래에 나와 있습니다.

전력 및 모터 시스템을 위한 다른 중요한 부품들

트랜지스터는 개별적으로나 집적 회로에서나 현대 전자 기기의 기본 구성 요소이며 아마도 결코 대체되지 않을 것입니다. 현대 전자 기기를 가능하게 하는 데 있어 기본적인 만큼, 전력 MOSFET을 사용하는 시스템은 제대로 작동하기 위해 많은 다른 부품들이 필요합니다. 이러한 부품들은 측정 및 피드백 안정성을 위한 부품부터 전체 시스템 제어 및 구성을 위한 프로세서에 이르기까지 다양합니다. MOSFET 기반 전력 시스템을 지원하기 위해 필요할 수 있는 일부 부품은 다음과 같습니다:

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