So sánh các MOSFET tốt nhất cho Điện tử công suất

Created: Tháng Tư 25, 2022
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

MOSFETs quan trọng trong việc cung cấp điện ổn định, chuyển mạch nhanh và tổn thất thấp

MOSFET là một trong những linh kiện quan trọng nhất trong việc cung cấp điện ổn định, chuyển mạch nhanh và tổn thất thấp trong nhiều ứng dụng. Cụ thể, MOSFET rời rạc đóng vai trò chính trong điều khiển động cơ, điều chỉnh công suất, logic chuyên biệt, khuếch đại công suất cao, chiếu sáng và các hệ thống khác yêu cầu dòng điện cao với tổn thất thấp. Nếu bạn bắt đầu tìm kiếm trên thị trường linh kiện, bạn sẽ tìm thấy nhiều lựa chọn linh kiện từ hầu hết các nhà sản xuất bán dẫn. Việc điều hướng qua các lựa chọn khác nhau và so sánh chúng có thể khó khăn, đặc biệt khi có quá nhiều lựa chọn linh kiện có sẵn.

Dù chúng ta muốn tin rằng có một MOSFET tốt nhất cho mọi thứ, thực tế không có MOSFET nào là "tốt nhất" một cách khách quan cho mọi hệ thống. Một số MOSFET nhắm đến các sản phẩm, ứng dụng hoặc ngành cụ thể. Số khác nhắm đến nhà thiết kế "công suất cao" hoặc "công suất thấp" nói chung. Việc cân nhắc các sự đánh đổi mất thời gian, kỹ năng và kinh nghiệm, và không phải tất cả các kỹ sư đều có thời gian để so sánh mọi linh kiện. Do đó, có thể hiểu được rằng một số kỹ sư có MOSFET mà họ sử dụng cho mọi thứ, mặc dù họ có thể đang thiết kế quá mức cho hệ thống của mình và tăng thêm chi phí cho sự tiện lợi đó.

Vì chúng tôi rất quan tâm đến việc giúp các kỹ sư tiếp cận với các linh kiện hoàn hảo cho sản phẩm của họ, chúng tôi đã biên soạn một danh sách các MOSFET tốt nhất cho một loạt các ứng dụng điện tử công suất. Một số sản phẩm được chọn và so sánh dựa trên độ phổ biến của chúng, trong khi những sản phẩm khác ít được biết đến hơn hoặc là linh kiện mới hơn mang lại lợi thế lớn so với các lựa chọn MOSFET phổ biến hơn.

So sánh các MOSFET tốt nhất

Nếu bạn đang tìm kiếm lựa chọn MOSFET tốt nhất cho thiết bị điện tử mới của mình, những yếu tố nào là quan trọng để so sánh? Có một số yếu tố có thể được sử dụng để so sánh MOSFET, từ các thông số điện cơ bản đến hiệu suất tần số cao. Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét các thông số kỹ thuật điện cơ bản áp dụng chung cho MOSFET, sau đó chúng ta sẽ xem xét các chỉ số hiệu suất nâng cao quan trọng trong các ứng dụng chuyên biệt.

Thông số Kỹ thuật Điện Cơ Bản

Đây là một số thông số kỹ thuật điện quan trọng cần xem xét khi chọn các MOSFET tốt nhất cho hệ thống của bạn.

Giới hạn dòng điện: Đây có lẽ là thông số kỹ thuật được sử dụng nhiều nhất để chọn MOSFET tốt nhất. Nếu giới hạn dòng điện bị vượt quá ở một điện trở trạng thái ON nhất định, sự phân tán nhiệt trong kênh sẽ tăng nhanh và linh kiện sẽ nhanh chóng hỏng.
Điện trở trạng thái ON: Đây là thông số đối lập với giới hạn dòng điện. Điện trở trạng thái ON sẽ xác định lượng công suất phân tán trong kênh và liệu linh kiện có thể chịu đựng dòng điện cao không.
Giới hạn nhiệt độ: Đây chỉ là một cách khác để định lượng độ tin cậy. MOSFET sẽ hỏng gần như ngay lập tức nếu nhiệt độ nút của chúng vượt quá giá trị đánh giá, vì vậy thông số này rất quan trọng trong các hệ thống độ tin cậy cao.
Chế độ tăng cường so với chế độ suy giảm: Điều này đơn giản xác định cách cổng được điều chỉnh để kích hoạt MOSFET bật hoặc tắt trong quá trình hoạt động.
Điện áp đánh thủng: Điều này chỉ ra điện áp cần thiết để đưa diode thân vào trạng thái đảo cực. Các điện áp này có xu hướng khá cao, nhưng chúng vẫn quan trọng trong các hệ thống công suất cao có thể hoạt động ở cực âm.
Thời gian tăng: Đối với các ứng dụng chuyển mạch, như trong các bộ chuyển đổi chuyển mạch, thời gian tăng là một yếu tố quan trọng. Khi được điều khiển bằng một trình điều khiển xung PWM, thời gian tăng nên ngắn hơn các xung được cung cấp cho cổng.

Việc thiết kế quá mức với MOSFET là điều có thể chấp nhận được, đặc biệt trong tình trạng thiếu hụt chip. Ví dụ, bạn luôn có thể chấp nhận một điện trở trạng thái ON thấp hơn để đảm bảo mất công suất thấp và sự phân tán nhiệt thấp trong kênh, và bạn luôn có thể chấp nhận một xếp hạng dòng điện cao hơn cho mục đích độ tin cậy. Với sự thiếu hụt linh kiện dường như chuyển từ loại này sang loại khác, bạn không bao giờ biết khi nào MOSFET lỗ ban đầu của bạn đột nhiên thiếu hụt.

Các Chỉ số Hiệu suất Nâng cao Hơn

Các điểm được liệt kê ở trên rất tốt cho các hệ thống công suất thấp, tần số thấp chỉ cần một linh kiện chung trên silicon. Tuy nhiên, với các ứng dụng mới liên quan đến sản phẩm công suất RF nhanh chóng trở thành chuẩn mực, và với việc tập trung vào độ tin cậy là một yếu tố quan trọng trong một số ngành, các chỉ số khác trở nên rất quan trọng và sẽ là cơ sở để chọn MOSFET tốt nhất.

Nền tảng vật liệu: Silicon là vật liệu được ưa chuộng cho đa số các mạch tích hợp, nhưng các nền tảng khác lại được ưa chuộng hơn cho các ứng dụng tiên tiến. Điều quan trọng ở đây là dải tần số hao hụt thấp và dẫn nhiệt là các chức năng của nền tảng vật liệu. Các lựa chọn thay thế như GaAs, SiC, và GaN đều cung cấp dẫn nhiệt cao hơn nhiều cho công suất đầu ra nhất định ở tần số cao hơn.
Điện dung đầu vào và đầu ra: Ở các tần số không dây thực tế, hoặc trong các hệ thống số siêu nhanh, điện dung trở nên quan trọng vì nó sẽ thay đổi trở kháng đầu vào và giới hạn băng thông của linh kiện. Ở các tần số cao rất cao (mmWave), điện dung đầu vào và đầu ra có thể tạo thành một vòng phản hồi không mong muốn cho phép công suất chảy trong một vòng kín nơi tiếng ồn được khuếch đại.
Hệ số nhiệt độ: Có nhiều giá trị hệ số nhiệt độ cần được xem xét khi thiết kế các hệ thống độ tin cậy cao. Những hệ số này cũng quan trọng trong các ứng dụng như đo lường chính xác và điện quang (ví dụ, hình ảnh lidar chính xác).
Độ tự cảm: Transistor như một mạch không có độ tự cảm, mà độ tự cảm đến từ bao bì. Độ tự cảm nhiễu trong bao bì đến từ các dẫn điện giữa các pad/cột và die. Giá trị này nên thấp nhất có thể để đảm bảo hành vi lý tưởng ở các tần số cao.

Các nền tảng vật liệu thay thế rất quan trọng vì chúng kích thích các công nghệ sắp tới như 5G và radar công suất cao, cũng như các ứng dụng chuyên biệt như radio được định nghĩa bởi phần mềm. Mặc dù không kỹ thuật là MOSFET, ngày càng có nhiều lựa chọn linh kiện FET xuất hiện trên thị trường, và sự tăng trưởng chỉ được kỳ vọng sẽ tiếp tục.

Các Lựa Chọn MOSFET Phổ Biến

Trong số các MOSFET có sẵn từ các nhà sản xuất lớn, có ba MOSFET kênh N tăng cường rất nổi bật:

Infineon IRFZ44N, một lựa chọn tốt cho mục đích sử dụng chung
2N7002, một linh kiện chung có sẵn từ nhiều nhà sản xuất nhắm đến các ứng dụng dòng điện thấp hơn
ON Semiconductor FQP30N06L, một lựa chọn thay thế với mức hao hụt dòng điện vừa phải cho nhiều ứng dụng

Các lựa chọn kênh N này rất phổ biến cho việc điều chỉnh đơn giản hoặc như công tắc trong các hệ thống điện, nhưng chúng có một số đặc tính làm cho chúng rất hữu ích trong một loạt các ứng dụng. Tôi sẽ coi những linh kiện này là chung chung và lý tưởng như là trình điều khiển trong kiểm soát động cơ và bộ chuyển đổi DC-DC. Tôi sẽ không sử dụng chúng trong các hệ thống hoạt động ở tần số RF vì nhiều lý do, mà tôi sẽ giải thích chi tiết dưới đây. Bây giờ, hãy xem xét từng cái một cách chi tiết hơn.

Infineon IRFZ44N

IRFZ44N từ Infineon là một trong những MOSFET phổ biến nhất nhờ vào điện áp phá hủy cao và giới hạn dòng điện cao. Linh kiện này có sẵn trong gói TO-220 được ưa chuộng cho các ứng dụng thương mại và công nghiệp. Điện áp phá hủy được đánh giá ở mức 60 V và dòng điện ra được đánh giá ở mức tối đa 49 A DC hoặc 160 A khi xung ở nhiệt độ phòng. Thời gian bật cũng tương đối nhanh, đạt khoảng 60 ns. Các đường cong chuyển mạch xung dưới đây cho thấy dòng điện ra ở điện áp cổng thấp.

2N7002

Tôi đã liệt kê MOSFET này mà không đề cập đến tên nhà sản xuất cụ thể vì đây là linh kiện chung và có sẵn từ nhiều nhà sản xuất. Linh kiện này đôi khi được liệt kê cùng với các số phần 2N7000, VQ1000J, và VQ1000P trên cùng một bảng dữ liệu. Tôi đã tập trung vào 2N7002, như linh kiện này từ Vishay, vì đây là lựa chọn giá rẻ cho các ứng dụng dòng điện thấp. Mặc dù chỉ dành cho việc cung cấp dòng điện thấp (400 mA DC, hoặc 2 A khi xung), nó có điện áp phá hủy cao 60 V, điện trở trạng thái ON thấp khoảng ~1 Ohm, và thời gian bật tương đối ngắn từ 10-20 ns (tùy thuộc vào điện áp cổng-nguồn).

ON Semiconductor FQP30N06L

FQP30N06L MOSFET từ ON Semiconductor cũng cung cấp điện áp phá hủy cao cần thiết trong các ứng dụng điện DC tiêu dùng và ô tô điển hình. Nó cung cấp dòng điện DC tối đa hơi thấp hơn so với IRFZ44N, chỉ 32 A, nhưng vẫn có thể cung cấp dòng điện xung cao 128 A. Điện trở trạng thái ON cũng thấp hơn 2N7002, đạt khoảng ~27 mOhm danh nghĩa. Thời gian chuyển mạch chậm hơn nhiều so với 2N7002, chỉ khoảng ~200 ns, nhưng vẫn đủ để sử dụng trong các bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động ở vài MHz hoặc ít hơn tần số chuyển mạch. Đặc tính chuyển mạch DC ở điện áp cổng thấp được hiển thị dưới đây.

Linh kiện tiếp theo là một GaN FET công suất cao hữu ích trong một loạt các ứng dụng tần số cao hoặc công suất cao. Mặc dù các linh kiện GaN và GaN-SiC thường được quảng cáo cho các ứng dụng tần số cao, chúng vẫn hữu ích cho các sản phẩm cung cấp công suất/dòng điện cao vì chúng có độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với Si.

Nexperia GAN063-650WSAQ

GAN063-650WSAQ từ Nexperia nhắm đến các ứng dụng công suất cao. Transistor GaN này có điện áp 650 V, đánh giá 50 mOhm tại điện áp cổng 10 V với dòng điện xả cao 34.5 A. Điện áp ngưỡng chỉ 4 V, vì vậy linh kiện này có thể được điều khiển bằng các nguồn PWM nhỏ hoạt động ở mức logic. Đánh giá nhiệt độ hoạt động của nó cũng rộng hơn nhiều so với một số MOSFET tốt nhất, kéo dài từ -55 đến 175 °C. Linh kiện này cũng được chứng nhận AEC-Q101, làm cho nó trở thành lựa chọn xuất sắc cho các ứng dụng ô tô hoặc các môi trường khắc nghiệt khác. Khu vực hoạt động an toàn cho dòng xung vượt trên 100 A được hiển thị bên dưới.

Các Linh Kiện Quan Trọng Khác cho Hệ thống Điện và Động cơ

Transistor, cả rời và trong mạch tích hợp, là những khối xây dựng cơ bản của điện tử hiện đại và có lẽ sẽ không bao giờ bị thay thế. Cũng như chúng quan trọng đối với việc kích hoạt điện tử hiện đại, hệ thống với MOSFET công suất cần nhiều linh kiện khác để hoạt động đúng cách. Các linh kiện này bao gồm từ linh kiện cho đo lường và ổn định phản hồi, đến bộ xử lý cho kiểm soát và cấu hình hệ thống tổng thể. Một số linh kiện bạn có thể cần để hỗ trợ hệ thống điện dựa trên MOSFET bao gồm:

Khi bạn đã chọn chipset Wifi 6 và đến lúc chọn các linh kiện hỗ trợ khác, bạn có thể sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc nâng cao trên Octopart để tìm các linh kiện bạn cần. Công cụ tìm kiếm điện tử trên Octopart có thể giúp bạn chọn các thành phần Wifi 6/6E theo nhà sản xuất, thông số kỹ thuật, và nhiều bộ lọc khác phù hợp với nhu cầu của bạn. Bạn cũng có thể truy cập dữ liệu giá của nhà phân phối, hàng tồn kho, thông số kỹ thuật của linh kiện, và dữ liệu CAD, và tất cả đều dễ dàng truy cập trong giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang kết nối của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Luôn cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.