Porównanie najlepszych tranzystorów MOSFET do elektroniki mocy

Utworzono: kwiecień 25, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

MOSFETy to jedne z najważniejszych komponentów mających znaczenie dla stabilnej dostawy mocy, szybkiego przełączania i niskich strat w różnorodnych aplikacjach. W szczególności, dyskretne MOSFETy odgrywają główną rolę w sterowaniu silnikami, regulacji mocy, specjalistycznej logice, wzmacniaczach dużej mocy, oświetleniu oraz innych systemach wymagających wysokiego poboru prądu przy niskich stratach. Jeśli zaczniecie szukać wśród komponentów na rynku, znajdziecie wiele opcji od większości producentów półprzewodników. Może być trudno poruszać się po różnych opcjach i dokonywać porównań, szczególnie gdy dostępnych jest tak wiele komponentów.

Chociaż chcielibyśmy myśleć, że istnieje jeden MOSFET idealny do wszystkiego, nie ma obiektywnie „najlepszego” MOSFETu do każdego systemu. Niektóre MOSFETy są przeznaczone dla konkretnych produktów, aplikacji lub branż. Inne kierują się do projektantów ogólnie „dużej mocy” lub „małej mocy”. Ważenie kompromisów wymaga czasu, umiejętności i doświadczenia, a nie wszyscy inżynierowie mają czas na porównywanie każdego komponentu. Dlatego zrozumiałe jest, że niektórzy inżynierowie mają swoje ulubione MOSFETy, których używają do wszystkiego, nawet jeśli przez to projektują swoje systemy z nadmiarem i generują dodatkowe koszty dla takiej wygody.

Ponieważ tak bardzo zależy nam na pomocy inżynierom w uzyskaniu dostępu do idealnych komponentów dla ich produktów, przygotowaliśmy listę najlepszych MOSFETów do różnych zastosowań w elektronice mocy. Niektóre z tych produktów są wybierane i porównywane na podstawie ich popularności, podczas gdy inne są mniej znane lub nowsze komponenty, które oferują znaczącą przewagę nad bardziej popularnymi opcjami MOSFET.

Porównanie najlepszych MOSFETów

Jeśli szukasz najlepszej opcji MOSFET dla swojego nowego urządzenia elektronicznego, jakie są właściwe wymiary do porównania? Istnieje kilka wymiarów, które można wykorzystać do porównania MOSFETów, począwszy od podstawowych parametrów elektrycznych, aż po wydajność przy wysokich częstotliwościach. Najpierw przyjrzymy się podstawowym specyfikacjom elektrycznym, które ogólnie dotyczą MOSFETów, a następnie przyjrzymy się bardziej zaawansowanym metrykom wydajności, które są ważne w specjalistycznych aplikacjach.

Podstawowe specyfikacje elektryczne

Oto niektóre z ważnych specyfikacji elektrycznych, które należy wziąć pod uwagę, wybierając najlepsze MOSFETy do swojego systemu.

Limit prądowy: To prawdopodobnie jedna z najczęściej używanych specyfikacji do wyboru najlepszych tranzystorów MOSFET. Jeśli limit prądowy zostanie przekroczony przy pewnej rezystancji w stanie ON, rozpraszanie ciepła w kanale przyspieszy, a komponent szybko ulegnie awarii.
Rezystancja w stanie ON: Jest to odpowiednik limitu prądowego. Rezystancja w stanie ON określi ilość mocy rozpraszanej w kanale i czy komponent może wytrzymać wysoki prąd.
Limit temperatury: To po prostu inny sposób na określenie niezawodności. MOSFETy niemal natychmiast ulegną awarii, jeśli ich temperatura złącza przekroczy znamionową wartość, więc ta specyfikacja jest krytyczna w systemach o wysokiej niezawodności.
Tryb wzbogacania vs. tryb zubożenia: To po prostu określa, jak bramka jest modulowana, aby spowodować włączenie lub wyłączenie MOSFET podczas pracy.
Napięcie przebicia: To po prostu określa napięcie wymagane do spolaryzowania diody ciała w kierunku zaporowym. Te napięcia mają tendencję do bycia dość wysokimi, ale są nadal ważne w systemach o wysokiej mocy, które mogą pracować przy ujemnej polaryzacji.
Czas narastania: W aplikacjach przełączających, takich jak w przetwornicach przełączających, czas narastania jest ważną kwestią. Podczas sterowania za pomocą sterownika impulsowego PWM, czas narastania powinien być krótszy niż impulsy dostarczane do bramki.

Projektowanie z nadmiarem w przypadku MOSFETów, zwłaszcza podczas niedoboru chipów, jest akceptowalne. Na przykład, zawsze można zaakceptować niższą rezystancję w stanie ON, aby zapewnić niskie straty mocy i rozpraszanie ciepła w kanale, oraz zawsze można zaakceptować wyższą ocenę prądową dla celów niezawodności. W sytuacji, gdy braki komponentów zdają się przesuwać z jednej klasy komponentów na inną, nigdy nie można przewidzieć, kiedy preferowany przez ciebie MOSFET do montażu przewlekanego nagle znajdzie się w niedoborze.

Bardziej zaawansowane metryki wydajności

Punkty wymienione powyżej są świetne dla systemów o niskiej częstotliwości i niskiej mocy, które potrzebują tylko ogólnego komponentu na krzemie. Jednakże, z nowymi aplikacjami związanymi z produktami RF szybko stającymi się normą, a niezawodność będącą tak ważnym aspektem w niektórych branżach, inne metryki stają się bardzo ważne i będą stanowić podstawę do wyboru najlepszych MOSFETów.

Platforma materiałowa: Krzem jest materiałem wyboru dla zdecydowanej większości układów scalonych, ale inne platformy są znacznie bardziej pożądane dla zaawansowanych aplikacji. Ważne jest tutaj to, że zakres niskich strat i przewodność cieplna są funkcjami platformy materiałowej. Alternatywy takie jak GaAs, SiC i GaN oferują znacznie wyższą przewodność cieplną dla danej mocy wyjściowej przy wyższych częstotliwościach.
Pojemności wejściowe i wyjściowe: W praktycznych częstotliwościach bezprzewodowych lub w ultrasybkiej cyfrowej elektronice, pojemność staje się ważna, ponieważ będzie modyfikować impedancję wejściową i ograniczać pasmo przenoszenia komponentu. Przy bardzo wysokich częstotliwościach (mmWave), pojemności wejściowe i wyjściowe mogą tworzyć niezamierzoną pętlę sprzężenia zwrotnego, która pozwala na przepływ mocy w zamkniętej pętli, gdzie szum jest wzmacniany.
Współczynniki temperaturowe: Istnieje wiele wartości współczynników temperaturowych, które powinny być rozważane podczas projektowania systemów o wysokiej niezawodności. Te współczynniki są również ważne w aplikacjach takich jak precyzyjne pomiary i elektrooptyka (np. precyzyjne obrazowanie lidar).
Indukcyjność: Tranzystory jako obwód nie mają indukcyjności, raczej indukcyjność pochodzi z opakowania. Pasożytnicza indukcyjność w opakowaniu wynika z elektrycznych połączeń między padami/słupkami a kryształem. Ta wartość powinna być jak najniższa, aby zapewnić idealne zachowanie przy wysokich częstotliwościach.

Alternatywne platformy materiałowe są bardzo ważne, ponieważ umożliwiają rozwój nadchodzących technologii, takich jak 5G i radar o wysokiej mocy, a także specjalistyczne aplikacje, takie jak radio definiowane programowo. Chociaż technicznie nie są to MOSFETy, na rynek wchodzi coraz więcej opcji komponentów FET, a ich wzrost jest spodziewany tylko, aby kontynuować.

Popularne opcje MOSFET

Wśród dostępnych na rynku MOSFETów od głównych producentów, trzy tranzystory N-kanalowe typu enhancement wyróżniają się jako wyjątkowo popularne:

Infineon IRFZ44N, dobra opcja do ogólnego zastosowania
2N7002, generyczny komponent dostępny od wielu producentów, przeznaczony do aplikacji o niższym prądzie
ON Semiconductor FQP30N06L, opcja o niskich stratach i umiarkowanym spadku prądu dla wielu aplikacji

Te opcje N-kanalowe są bardzo popularne do prostych regulacji lub jako przełączniki w systemach zasilania, ale posiadają pewne cechy, które czynią je bardzo użytecznymi w szerokim zakresie aplikacji. Uważałbym te komponenty za ogólnego zastosowania i idealne jako sterowniki w kontrolach silników i przetwornicach DC-DC. Nie używałbym ich w systemach pracujących na częstotliwościach RF z wielu powodów, które szczegółowo omówię poniżej. Na razie przyjrzyjmy się każdemu z nich bardziej szczegółowo.

Infineon IRFZ44N

IRFZ44N od Infineon jest jednym z najpopularniejszych tranzystorów MOSFET, dzięki swojemu wysokiemu napięciu przebicia i dużej dopuszczalnej prądowi. Ten komponent jest dostępny w obudowie TO-220, która jest preferowana w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych. Napięcie przebicia jest oceniane na 60 V, a maksymalny prąd wyjściowy na 49 A DC lub 160 A w impulsie w temperaturze pokojowej. Czas włączenia jest również stosunkowo szybki, osiągając około 60 ns. Poniższe krzywe transferu w impulsie pokazują prąd wyjściowy przy niskim napięciu sterowania bramki.

2N7002

Wymieniłem ten tranzystor MOSFET bez podania konkretnej nazwy producenta, ponieważ jest to komponent generyczny i dostępny od wielu producentów. Ten komponent jest czasami wymieniany razem z numerami części 2N7000, VQ1000J i VQ1000P na tej samej karcie katalogowej. Skupiłem się na 2N7002, takim jak ten komponent od Vishay, ponieważ jest to opcja niskokosztowa dla aplikacji o niskim prądzie. Chociaż jest przeznaczony tylko do dostarczania niskiego prądu (400 mA DC, lub 2 A w impulsie), ma wysokie napięcie przebicia 60 V, niską rezystancję w stanie ON około 1 Ohm i stosunkowo krótki czas włączenia 10-20 ns (w zależności od napięcia bramka-źródło).

ON Semiconductor FQP30N06L

Tranzystor MOSFET FQP30N06L od ON Semiconductor również zapewnia wysokie napięcie przebicia, które jest niezbędne w typowych aplikacjach zasilania DC w sektorze konsumenckim i motoryzacyjnym. Zapewnia nieco niższy maksymalny prąd DC, 32 A, w porównaniu do IRFZ44N, ale nadal może dostarczać wysokie prądy w impulsie, 128 A. Rezystancja w stanie ON jest również niższa niż w 2N7002, osiągając nominalnie ~27 mOhm. Czas przełączania jest znacznie wolniejszy niż w 2N7002 i wynosi tylko ~200 ns, ale jest to nadal wystarczające do użycia w regulatorach przełączających pracujących z częstotliwościami przełączania na poziomie kilku MHz lub mniejszych. Poniżej pokazano charakterystyki transferu DC przy niskim napięciu sterowania bramki.

Następny komponent to wysokomocowy tranzystor GaN, który jest użyteczny w szeregu aplikacji o wysokiej częstotliwości lub wysokiej mocy. Chociaż komponenty GaN i GaN-SiC są zazwyczaj reklamowane dla aplikacji o wysokiej częstotliwości, są one nadal użyteczne dla produktów o wysokiej mocy/prądzie, ponieważ mają znacznie wyższą przewodność cieplną niż Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ firmy Nexperia jest przeznaczony do zastosowań o wysokiej mocy. Ten tranzystor GaN ma napięcie 650 V, rezystancję 50 mOhm przy napięciu bramki 10 V oraz wysoką wartość prądu drenu wynoszącą 34,5 A. Napięcie progowe wynosi tylko 4 V, więc ten komponent może być sterowany małymi źródłami PWM pracującymi na poziomach logicznych. Zakres temperatur pracy jest również znacznie szerszy niż w przypadku niektórych najlepszych tranzystorów MOSFET, rozciągając się od -55 do 175 °C. Ten komponent jest również kwalifikowany zgodnie z normą AEC-Q101, co czyni go doskonałym wyborem do zastosowań motoryzacyjnych lub innych trudnych środowisk. Bezpieczny obszar pracy dla prądu impulsowego przekraczającego 100 A jest pokazany poniżej.

Inne ważne komponenty dla systemów zasilania i napędów

Tranzystory, zarówno dyskretne, jak i w układach scalonych, są podstawowymi elementami nowoczesnej elektroniki i prawdopodobnie nigdy nie zostaną zastąpione. Jako fundamentalne dla umożliwienia nowoczesnej elektroniki, systemy z tranzystorami MOSFET potrzebują wielu innych komponentów do prawidłowego działania. Zaliczają się do nich komponenty do pomiaru i stabilizacji sprzężenia zwrotnego, do procesorów do ogólnej kontroli systemu i konfiguracji. Niektóre komponenty, które mogą być potrzebne do wsparcia systemów zasilanych tranzystorami MOSFET, to:

Kiedy już wybierzesz swój chipset Wifi 6 i nadejdzie czas na wybór innych komponentów wspierających, możesz użyć zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart, aby znaleźć potrzebne komponenty. Funkcje wyszukiwarki elektroniki w Octopart mogą pomóc Ci wybrać komponenty Wifi 6/6E według producenta, specyfikacji technicznych i wielu innych filtrów, dostosowanych do Twoich potrzeb. Możesz również uzyskać dostęp do danych o cenach dystrybutorów, zapasach części, specyfikacjach części i danych CAD, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z konektorami, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zapisz się do naszego newslettera, aby być na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami zapisując się do naszego newslettera.