Comparando os Melhores MOSFETs para Eletrônica de Potência

Criada: Abril 25, 2022
Atualizada: Julho 1, 2024

Os MOSFETs são alguns dos componentes mais importantes envolvidos na entrega de energia estável, comutação rápida e baixa perda em uma variedade de aplicações. Em particular, os MOSFETs discretos desempenham um papel primordial no controle de motores, regulação de potência, lógica especializada, amplificadores de alta potência, iluminação e outros sistemas que requerem alta corrente com baixa perda. Se você começar a procurar no mercado de componentes, encontrará múltiplas opções de componentes da maioria dos fabricantes de semicondutores. Pode ser difícil navegar pelas várias opções e fazer comparações, especialmente quando há tantas opções de componentes disponíveis.

Tanto quanto gostaríamos de pensar que existe um MOSFET que é ótimo para tudo, não existe um MOSFET objetivamente "melhor" para cada sistema. Alguns MOSFETs são direcionados a produtos específicos, aplicações ou indústrias. Outros visam o designer geral de "alta potência" ou "baixa potência". Avaliar os compromissos leva tempo, habilidade e experiência, e nem todos os engenheiros têm tempo para comparar cada componente. Portanto, é compreensível que alguns engenheiros tenham os MOSFETs de preferência que usam para tudo, mesmo que possam estar superdimensionando seus sistemas e acumulando custos extras por tal conveniência.

Porque nos importamos tanto em ajudar os engenheiros a ter acesso aos componentes perfeitos para seus produtos, compilamos uma lista dos melhores MOSFETs para uma gama de aplicações em eletrônica de potência. Alguns desses produtos são selecionados e comparados com base em sua popularidade, enquanto outros são componentes menos conhecidos ou mais novos que oferecem uma grande vantagem sobre as opções de MOSFET mais populares.

Comparando os Melhores MOSFETs

Se você está procurando a melhor opção de MOSFET para o seu novo dispositivo eletrônico, quais são as dimensões certas para comparação? Existem várias dimensões que podem ser usadas para comparar MOSFETs, variando desde os parâmetros elétricos básicos até o desempenho em alta frequência. Primeiro, vamos olhar para as especificações elétricas básicas que se aplicam geralmente aos MOSFETs, depois vamos olhar para métricas de desempenho mais avançadas que são importantes em aplicações especializadas.

Especificações Elétricas Básicas

Aqui estão algumas das especificações elétricas importantes a considerar ao selecionar os melhores MOSFETs para o seu sistema.

Limite de corrente: Esta é provavelmente a especificação mais frequentemente usada para selecionar os melhores MOSFETs. Se o limite de corrente for excedido em uma certa resistência no estado ON, a dissipação de calor no canal acelerará e o componente falhará rapidamente.
Resistência no estado ON: Esta é a contraparte do limite de corrente. A resistência no estado ON determinará a quantidade de energia dissipada no canal e se o componente pode suportar alta corrente.
Limite de temperatura: Esta é apenas outra maneira de quantificar a confiabilidade. Os MOSFETs falharão quase imediatamente se a temperatura da junção exceder o valor nominal, portanto, esta especificação é crítica em sistemas de alta confiabilidade.
Modo de enriquecimento vs. modo de depleção: Isso simplesmente determina como o portão é modulado para fazer o MOSFET ligar ou desligar durante a operação.
Tensão de ruptura: Isso simplesmente indica a tensão necessária para levar o diodo do corpo à polarização reversa. Essas tensões tendem a ser bastante altas, mas ainda são importantes em sistemas de alta potência que podem operar em polaridade negativa.
Tempo de subida: Para aplicações de comutação, como em conversores comutados, o tempo de subida é uma consideração importante. Quando acionado com um driver de pulso PWM, o tempo de subida deve ser mais curto que os pulsos entregues ao portão.

Está tudo bem em superdimensionar com MOSFETs, especialmente durante uma escassez de chips. Por exemplo, você sempre pode aceitar uma resistência no estado ON mais baixa para garantir baixa perda de energia e dissipação de calor no canal, e você sempre pode aceitar uma classificação de corrente mais alta para fins de confiabilidade. Com escassez de componentes parecendo mudar de uma classe de componente para outra, você nunca pode dizer quando seu MOSFET de furo passante preferido de repente estará em falta.

Métricas de Desempenho Mais Avançadas

Os pontos listados acima são ótimos para sistemas de baixa frequência e baixa potência que só precisam de um componente genérico em silício. No entanto, com novas aplicações envolvendo produtos de potência RF rapidamente se tornando a norma, e com a confiabilidade sendo um foco tão grande em algumas indústrias, outras métricas se tornam bastante importantes e formarão a base para selecionar os melhores MOSFETs.

Plataforma de material: O silício é o material de escolha para a grande maioria dos circuitos integrados, mas outras plataformas são muito mais desejáveis para aplicações avançadas. O que é importante aqui é que a faixa de baixa perda de frequência e a condutividade térmica são funções da plataforma de material. Alternativas como GaAs, SiC e GaN oferecem muito maior condutividade térmica para uma dada saída de potência em frequências mais altas.
Capacitâncias de entrada e saída: Em frequências práticas de wireless, ou em sistemas digitais ultra-rápidos, a capacitância se torna importante pois modificará a impedância de entrada e limitará a largura de banda do componente. Em frequências muito altas (mmWave), as capacitâncias de entrada e saída podem formar um loop de feedback não intencional que permite o fluxo de energia em um circuito fechado onde o ruído é amplificado.
Coeficientes de temperatura: Existem múltiplos valores de coeficiente de temperatura que devem ser considerados ao projetar sistemas de alta confiabilidade. Esses coeficientes também são importantes em aplicações como medição de precisão e eletro-ótica (por exemplo, imagem lidar de precisão).
Indutância: Transistores como um circuito não têm indutância, mas sim a indutância vem da embalagem. A indutância parasita na embalagem vem dos leads elétricos entre os pads/posts e o die. Esse valor deve ser o mais baixo possível para garantir um comportamento ideal em altas frequências.

Plataformas de materiais alternativos são bastante importantes, pois possibilitam tecnologias emergentes como 5G e radar de alta potência, bem como aplicações especializadas como rádio definido por software. Embora tecnicamente não sejam MOSFETs, mais opções de componentes FET estão chegando ao mercado, e espera-se que o crescimento continue.

Opções Populares de MOSFET

Entre a gama de MOSFETs disponíveis dos principais fabricantes, existem três MOSFETs de realce de canal N que se destacam por serem altamente populares:

Infineon IRFZ44N, uma boa opção para uso geral
2N7002, um componente genérico disponível de vários fabricantes visando aplicações de corrente mais baixa
ON Semiconductor FQP30N06L, uma opção de queda de corrente moderada de baixa perda para muitas aplicações

Essas opções de canal N são muito populares para regulação simples ou como interruptores em sistemas de energia, mas possuem algumas características que os tornam muito úteis em uma ampla gama de aplicações. Eu consideraria esses componentes como de propósito geral e ideais como drivers em controle de motores e conversores DC-DC. Eu não os usaria em sistemas que operam em frequências de RF por várias razões, que detalharei abaixo. Por agora, vamos olhar cada um desses com um pouco mais de detalhe.

Infineon IRFZ44N

O IRFZ44N da Infineon é um dos MOSFETs mais populares graças à sua alta tensão de ruptura e alto limite de corrente. Este componente está disponível em um pacote TO-220, que é preferido para aplicações comerciais e industriais. A tensão de ruptura é classificada em 60 V e a corrente de saída é classificada em no máximo 49 A DC ou 160 A pulsado à temperatura ambiente. O tempo de ativação também é relativamente rápido, alcançando aproximadamente 60 ns. As curvas de transferência pulsada abaixo mostram a corrente de saída em baixa tensão de acionamento do portão.

2N7002

Listei este MOSFET sem um nome específico de fabricante porque é um componente genérico e está disponível de vários fabricantes. Este componente às vezes é listado junto com os números de peça 2N7000, VQ1000J e VQ1000P na mesma ficha técnica. Foquei no 2N7002, como este componente da Vishay, pois é uma opção de baixo custo para aplicações de baixa corrente. Embora seja destinado apenas para entrega de baixa corrente (400 mA DC, ou 2 A pulsado), possui alta tensão de ruptura de 60 V, baixa resistência no estado ON de ~1 Ohm e tempo de ativação relativamente curto de 10-20 ns (dependendo da tensão porta-fonte).

ON Semiconductor FQP30N06L

O FQP30N06L MOSFET da ON Semiconductor também fornece alta tensão de ruptura necessária em aplicações típicas de energia DC para consumidores e automotivas. Ele fornece uma corrente máxima de DC ligeiramente menor de 32 A em comparação com o IRFZ44N, mas ainda pode fornecer altas correntes pulsadas de 128 A. A resistência no estado ON também é menor que a do 2N7002, alcançando ~27 mOhm nominal. O tempo de comutação é muito mais lento que o do 2N7002 e é de apenas ~200 ns, mas isso ainda é suficiente para uso em reguladores de comutação operando em algumas MHz ou menos frequências de comutação. As características de transferência DC em baixa acionamento de portão são mostradas abaixo.

O próximo componente é um FET de GaN de alta potência que é útil em uma gama de aplicações de alta frequência ou alta potência. Embora os componentes de GaN e GaN-SiC sejam tipicamente comercializados para aplicações de alta frequência, eles ainda são úteis para produtos de entrega de alta potência/alta corrente, pois têm muito maior condutividade térmica do que Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

O GAN063-650WSAQ da Nexperia é voltado para aplicações de alta potência. Este FET de GaN possui 650 V, classificação de 50 mOhm a 10 V de acionamento de porta com uma alta classificação de corrente de dreno de 34,5 A. A tensão de limiar é de apenas 4 V, então este componente pode ser acionado com pequenas fontes PWM operando em níveis lógicos. Esta classificação de temperatura operacional também é muito mais ampla do que você encontrará com alguns dos melhores MOSFETs, variando de -55 a 175 °C. Este componente também é qualificado pela AEC-Q101, tornando-o uma excelente escolha para aplicações automotivas ou outros ambientes severos. A área segura de operação para corrente pulsada alcançando acima de 100 A é mostrada abaixo.

Outros Componentes Importantes para Sistemas de Energia e Motores

Transistores, tanto discretos quanto em circuitos integrados, são blocos de construção fundamentais da eletrônica moderna e provavelmente nunca serão substituídos. Tão fundamentais quanto são para possibilitar a eletrônica moderna, sistemas com MOSFETs de potência precisam de muitos outros componentes para operar adequadamente. Estes variam desde componentes para medição e estabilidade de feedback, até processadores para controle e configuração geral do sistema. Alguns componentes que você pode precisar para suportar sistemas de potência baseados em MOSFET incluem:

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