Сравнение лучших МОП-транзисторов для силовой электроники

Создано: 25 Апреля, 2022
Обновлено: 1 Июля, 2024

MOSFET-транзисторы являются одними из самых важных компонентов, обеспечивающих стабильную подачу питания, быстрое переключение и низкие потери в ряде приложений. В частности, дискретные MOSFET-транзисторы играют ведущую роль в управлении двигателями, регулировании мощности, специализированной логике, усилителях большой мощности, освещении и других системах, требующих высокого потребления тока с низкими потерями. Если начать искать на рынке компонентов, вы найдете множество вариантов компонентов от большинства производителей полупроводников. Может быть сложно ориентироваться среди различных вариантов и делать сравнения, особенно когда доступно так много вариантов компонентов.

Хотя нам хотелось бы думать, что существует один MOSFET, который отлично подходит для всего, нет объективно «лучшего» MOSFET для каждой системы. Некоторые MOSFET нацелены на конкретные продукты, приложения или отрасли. Другие ориентированы на дизайнеров «высокой мощности» или «низкой мощности». Взвешивание компромиссов требует времени, умений и опыта, и не все инженеры имеют время для сравнения каждого компонента. Поэтому понятно, что некоторые инженеры имеют MOSFET, которые они используют для всего, даже если это может привести к перерасходу их систем и увеличению дополнительных затрат за такое удобство.

Поскольку нам так важно помогать инженерам получить доступ к идеальным компонентам для их продуктов, мы составили список лучших MOSFET для ряда приложений в области силовой электроники. Некоторые из этих продуктов выбраны и сравниваются на основе их популярности, в то время как другие менее известны или новые компоненты, которые предоставляют значительные преимущества по сравнению с более популярными вариантами MOSFET.

Сравнение лучших MOSFET

Если вы ищете лучший вариант MOSFET для вашего нового электронного устройства, какие правильные параметры для сравнения? Существует несколько параметров, которые можно использовать для сравнения MOSFET, начиная от основных электрических параметров до характеристик высокой частоты. Сначала мы рассмотрим основные электрические характеристики, которые применимы к MOSFET в целом, затем мы рассмотрим более продвинутые показатели производительности, которые важны в специализированных приложениях.

Основные электрические характеристики

Вот некоторые из важных электрических характеристик, которые следует учитывать при выборе лучших MOSFET для вашей системы.

Предел тока: Вероятно, это одна из наиболее часто используемых характеристик для выбора лучших MOSFET. Если предел тока превышен при определенном сопротивлении во включенном состоянии, рассеивание тепла в канале ускорится, и компонент быстро выйдет из строя.
Сопротивление во включенном состоянии: Это противоположность пределу тока. Сопротивление во включенном состоянии определит количество рассеиваемой мощности в канале и способность компонента выдерживать высокий ток.
Предел температуры: Это еще один способ количественной оценки надежности. MOSFET почти мгновенно выйдут из строя, если их температура перехода превысит номинальное значение, поэтому эта характеристика критична в системах с высокой надежностью.
Усиление против режима истощения: Это просто определяет, как модулируется затвор для включения или выключения MOSFET во время работы.
Напряжение пробоя: Это просто указывает напряжение, необходимое для перевода диода корпуса в обратное смещение. Эти напряжения обычно довольно высоки, но они все еще важны в мощных системах, которые могут работать при отрицательной полярности.
Время нарастания: Для приложений коммутации, таких как в коммутационных преобразователях, время нарастания является важным параметром. При управлении с помощью драйвера ШИМ-импульсов время нарастания должно быть короче, чем длительность импульсов, подаваемых на затвор.

Перестраховка с MOSFET, особенно во время дефицита микросхем, это нормально. Например, вы всегда можете принять более низкое сопротивление во включенном состоянии, чтобы обеспечить низкие потери мощности и рассеивание тепла в канале, и вы всегда можете принять более высокий токовый рейтинг в целях надежности. С перемещением дефицита компонентов с одного класса компонентов на другой, вы никогда не можете знать, когда ваш предпочтительный сквозной MOSFET внезапно окажется в дефиците.

Более продвинутые показатели производительности

Указанные выше пункты отлично подходят для систем низкой частоты и низкой мощности, которым нужен только общий компонент на кремнии. Однако с появлением новых приложений, включая продукты для РЧ-мощности, которые быстро становятся нормой, и с таким акцентом на надежности в некоторых отраслях, другие метрики становятся очень важными и будут лежать в основе выбора лучших MOSFET.

Материальная платформа: Кремний является материалом выбора для подавляющего большинства интегральных схем, но другие платформы гораздо более предпочтительны для передовых приложений. Важно здесь то, что диапазон низких потерь и теплопроводность являются функциями материальной платформы. Альтернативы вроде GaAs, SiC и GaN предлагают гораздо более высокую теплопроводность для данной мощности на высоких частотах.
Входная и выходная емкости: На практических беспроводных частотах или в ультра-быстрых цифровых системах емкость становится важной, поскольку она будет изменять входное сопротивление и ограничивать полосу пропускания компонента. На очень высоких частотах (ммВолн) входная и выходная емкости могут формировать непреднамеренный обратный петлевой контур, который позволяет мощности циркулировать в замкнутом контуре, где шум усиливается.
Температурные коэффициенты: Существует несколько значений температурных коэффициентов, которые следует учитывать при проектировании систем высокой надежности. Эти коэффициенты также важны в приложениях, таких как точные измерения и электрооптика (например, точное лидарное изображение).
Индуктивность: Транзисторы как схема не имеют индуктивности, скорее индуктивность происходит от упаковки. Паразитная индуктивность в упаковке исходит от электрических выводов между площадками/стойками и кристаллом. Это значение должно быть как можно ниже, чтобы обеспечить идеальное поведение на высоких частотах.

Альтернативные материальные платформы очень важны, поскольку они позволяют внедрять новые технологии, такие как 5G и радары высокой мощности, а также специализированные приложения, такие как программно-определяемое радио. Хотя технически это не MOSFET, на рынок поступает все больше вариантов компонентов FET, и ожидается только их дальнейший рост.

Популярные варианты MOSFET

Среди ассортимента MOSFET, доступных от крупных производителей, есть три N-канальных усиленных MOSFET, которые выделяются как особенно популярные:

Infineon IRFZ44N, хороший вариант для общего использования
2N7002, универсальный компонент, доступный от нескольких производителей для приложений с низким током
ON Semiconductor FQP30N06L, вариант с низкими потерями для умеренного тока, подходящий для многих приложений

Эти N-канальные варианты очень популярны для простой регулировки или как переключатели в энергетических системах, но они обладают некоторыми характеристиками, которые делают их очень полезными в широком спектре приложений. Я бы рассматривал эти компоненты как универсальные и идеальные в качестве драйверов в управлении двигателями и DC-DC преобразователях. Я бы не использовал их в системах, работающих на РЧ частотах по нескольким причинам, которые я подробно опишу ниже. А пока давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Infineon IRFZ44N

IRFZ44N от Infineon является одним из самых популярных MOSFET благодаря его высокому напряжению пробоя и большому пределу тока. Этот компонент доступен в корпусе TO-220, который предпочтителен для коммерческих и промышленных приложений. Напряжение пробоя составляет 60 В, а максимальный выходной ток - 49 А постоянного тока или 160 А в импульсном режиме при комнатной температуре. Время включения также относительно быстрое, достигая примерно 60 нс. Ниже показаны кривые передачи импульсов, демонстрирующие выходной ток при низком напряжении управления затвором.

2N7002

Я указал этот MOSFET без конкретного наименования производителя, поскольку это универсальный компонент, доступный от множества производителей. Иногда этот компонент указывают вместе с номерами частей 2N7000, VQ1000J и VQ1000P в одном техническом описании. Я сосредоточился на 2N7002, например, на этом компоненте от Vishay, поскольку это недорогой вариант для приложений с низким током. Хотя он предназначен только для низкой подачи тока (400 мА постоянного тока или 2 А в импульсном режиме), он имеет высокое напряжение пробоя 60 В, низкое сопротивление в открытом состоянии около 1 Ом и относительно короткое время включения 10-20 нс (в зависимости от напряжения затвор-исток).

ON Semiconductor FQP30N06L

FQP30N06L MOSFET от ON Semiconductor также обеспечивает высокое напряжение пробоя, необходимое в типичных потребительских и автомобильных приложениях постоянного тока. Он обеспечивает немного меньший максимальный ток постоянного тока 32 А по сравнению с IRFZ44N, но все же может обеспечить высокие импульсные токи 128 А. Сопротивление в открытом состоянии также ниже, чем у 2N7002, достигая ~27 мОм номинального. Время переключения намного медленнее, чем у 2N7002, и составляет всего ~200 нс, но это все еще достаточно для использования в переключающих регуляторах с частотой переключения в несколько МГц или меньше. Ниже показаны характеристики передачи постоянного тока при низком напряжении управления затвором.

Следующий компонент - это мощный GaN FET, который полезен в ряде приложений с высокой частотой или высокой мощностью. Хотя компоненты GaN и GaN-SiC обычно рекламируются для приложений с высокой частотой, они все еще полезны для продуктов с высокой мощностью/высоким током, поскольку имеют гораздо более высокую теплопроводность, чем Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ от Nexperia предназначен для высокомощных приложений. Этот GaN FET имеет характеристики 650 В, 50 мОм при управляющем напряжении 10 В с высоким током стока 34,5 А. Пороговое напряжение составляет всего 4 В, поэтому этот компонент может управляться с помощью маломощных источников PWM, работающих на логических уровнях. Также у этого компонента гораздо более широкий диапазон рабочих температур, чем у некоторых из лучших MOSFET, от -55 до 175 °C. Этот компонент также соответствует требованиям AEC-Q101, что делает его отличным выбором для автомобильных приложений или других жестких условий эксплуатации. Область безопасной работы для импульсного тока, превышающего 100 А, показана ниже.

Другие важные компоненты для систем питания и управления двигателями

Транзисторы, как дискретные, так и в интегральных схемах, являются фундаментальными элементами современной электроники и, вероятно, никогда не будут заменены. Насколько они фундаментальны для обеспечения работы современной электроники, системам с MOSFET требуется множество других компонентов для нормальной работы. К ним относятся компоненты для измерения и обратной связи, стабильности, процессоры для общего контроля системы и конфигурации. Некоторые компоненты, которые могут потребоваться для поддержки систем на основе MOSFET, включают:

Когда вы выбрали свой чипсет Wifi 6 и пришло время выбрать другие поддерживающие компоненты, вы можете использовать расширенные функции поиска и фильтрации на Octopart для поиска необходимых компонентов. Функции поиска электронных компонентов на Octopart помогут вам выбрать компоненты Wifi 6/6E по производителю, техническим характеристикам и многим другим фильтрам в соответствии с вашими потребностями. Вы также можете получить доступ к данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов, техническим характеристикам деталей и CAD-данным, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с разъемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь на связи с нашими последними статьями, подписавшись на нашу рассылку.