Το τρανζίστορ του MOSFET ή του μεταλλικού οξειδίου του οξειδίου του οξειδίου χρησιμεύει ως μια σημαντική συσκευή μεταγωγής ισχύος στα ηλεκτρονικά ισχύος.Ξεχωρίζει από το τρανζίστορ διπολικής σύνδεσης (BJT), μια άλλη κοινή συσκευή, ιδιαίτερα στο χειρισμό φορτίων υψηλής ισχύος.Για να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο τα MOSFETs ενισχύουν την απόδοση, είναι χρήσιμο να κατανοήσουμε πρώτα τα λειτουργικά βασικά στοιχεία των BJTs.Ένα BJT ελέγχει τη ροή ενός μικρού αριθμού φορέων φορτίου, είτε ηλεκτρόνια είτε οπές, για να διαχειριστεί μια μεγαλύτερη ροή ρεύματος σε όλο τον συλλέκτη και τον πομπό του.Ενώ είναι αποτελεσματικό σε διάφορα περιβάλλοντα, τα BJTs υπολείπονται σε σενάρια υψηλής ισχύος λόγω απώλειας απόδοσης και ευαισθησίας στη θερμότητα.Τα MOSFET, αντίθετα, χρησιμοποιούν ένα φαινόμενο πεδίου για τον τρέχοντα έλεγχο που μειώνει σημαντικά τις απώλειες ισχύος.Η βαθύτερη κατανόηση τόσο των στατικών όσο και των δυναμικών ιδιοτήτων των MOSFET, μαζί με τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνονται σε διαφορετικές τάσεις και συνθήκες ρεύματος, βοηθά στο σχεδιασμό σταθερών και αξιόπιστων κυκλωμάτων.
Κατάλογος:
Εικόνα 1: Τα πιο δημοφιλή mosfets
Ένα MOSFET ή το τρανζίστορ φαινίσματος πεδίου ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου ενισχύει σημαντικά την απόδοση των βασικών τρανζίστορ πεδίου (FETS), αντιμετωπίζοντας ζητήματα όπως η υψηλή αντοχή στην αποστράγγιση, η μέτρια σύνθετη αντίσταση εισόδου και οι βραδύτερες λειτουργίες.Αναπτύχθηκε ως μια εξελιγμένη έκδοση των παραδοσιακών FETs, τα MOSFETs είναι επίσης γνωστή ως τρανζίστορ φαινομένου πεδίου πύλης (IGFETs).
Στην καρδιά ενός MOSFET είναι το διακριτικό ηλεκτρόδιο πύλης οξειδίου του μετάλλου, το οποίο το ξεχωρίζει από τα συμβατικά FETs.Αυτό το ηλεκτρόδιο πύλης διαχωρίζεται από το κύριο σώμα ημιαγωγών από ένα λεπτό μονωτικό στρώμα από διοξείδιο του πυριτίου ή παρόμοιο υλικό.Αυτή η μόνωση είναι αναντικατάστατη επειδή χορηγεί στο MOSFET μια πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου, συχνά στην περιοχή MegaOHM (MΩ).Η υψηλή αντίσταση είναι απαραίτητη για τις ελεγχόμενες από την τάση των MOSFET, όπου οι προσαρμογές στην τάση της πύλης επηρεάζουν άμεσα το ρεύμα που ρέει μεταξύ της αποστράγγισης και της πηγής.Η λειτουργία ενός MOSFET περιλαμβάνει την εφαρμογή τάσης στην πύλη.Μόλις αυτή η τάση ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο όριο, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο σε όλο το μονωτικό στρώμα.Αυτό το πεδίο είναι αυτό που ρυθμίζει τους φορείς φόρτισης στο ημιαγωγό, ελέγχοντας έτσι την τρέχουσα ροή από την αποστράγγιση στην πηγή.Ο ακριβής έλεγχος αυτής της ροής επιτρέπει στο MOSFET να ρυθμίζει αποτελεσματικά το ρεύμα, ακόμη και σε χαμηλή ισχύ, καθιστώντας το ιδανικό για εφαρμογές που απαιτούν τόσο υψηλή ισχύ όσο και υψηλή συχνότητα.
Τα MOSFETs προσφέρουν αρκετές βελτιώσεις σε σχέση με τα παραδοσιακά FETs, συμπεριλαμβανομένων ταχύτερων χρόνων μεταγωγής, μειωμένων ρευμάτων διαρροής και της ικανότητας λειτουργίας σε υψηλότερες συχνότητες.Αυτές οι βελτιώσεις είναι ο λόγος για τον οποίο τα MOSFETs είναι τόσο διαδεδομένα στις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές και συστήματα.Είναι ιδιαίτερα πολύτιμοι σε ρόλους που περιλαμβάνουν ενίσχυση ισχύος, επεξεργασία σήματος και διαχείριση ενέργειας.Αυτή η ευρεία χρήση υπογραμμίζει τον ρόλο του MOSFET ως κρίσιμο στοιχείο στην προώθηση της σύγχρονης ηλεκτρονικής.
Ένα MOSFET (Transistor πεδίου ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου) έχει τυπικά τέσσερα τερματικά: η αποστράγγιση (D), οι πηγές (S), η πύλη (G) και το σώμα (B), επίσης γνωστό ως υπόστρωμα ή baseboard.Ωστόσο, στις περισσότερες εφαρμογές, ο ακροδέκτης του σώματος είναι εσωτερικά συνδεδεμένη με την πηγή, καθιστώντας αποτελεσματικά το MOSFET μια τριών τερματικών συσκευών.Αυτή η διαμόρφωση απλοποιεί τη χρήση του σε διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Εικόνα 2: Σύμβολο του MOSFET
Τα γραφικά σύμβολα για τα MOSFET αντιπροσωπεύουν σαφώς τους δύο τύπους: Ν-καναλιό και καναλιές P.Για το N-Channel MOSFET, το σύμβολο περιλαμβάνει ένα βέλος προς τα μέσα στην πύλη, γεγονός που σημαίνει ότι η εφαρμογή θετικής τάσης στην πύλη σε σχέση με την πηγή ενεργοποιεί τη συσκευή.Αντίθετα, το σύμβολο MOSFET του καναλιού P διαθέτει ένα βέλος προς τα έξω, υποδεικνύοντας ότι μια θετική τάση ενεργοποιεί τη συσκευή, αλλά αυτή η τάση είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση σε σύγκριση με το N-Channel.Αυτά τα σύμβολα είναι σημαντικές αναφορές για τους μηχανικούς και τους τεχνικούς να εντοπίσουν τους τύπους MOSFET και να εξασφαλίσουν την κατάλληλη εφαρμογή σε σχέδια κυκλωμάτων.
Εικόνα 3: IRF9540N
Εικόνα 4: διάταξη ακίδων
Ένα κοινό πακέτο για το MOSFETS είναι το TO-220.Λαμβάνοντας το MOSFET IRF9540N ως παράδειγμα, αυτή η μορφή πακέτου συνήθως τοποθετεί τον πείρο της πύλης στο κέντρο, πλαισιωμένο από τους ακροδέκτες αποστράγγισης και πηγής.Ωστόσο, είναι απαραίτητο να αναγνωρίσουμε ότι οι ρυθμίσεις PIN μπορεί να ποικίλουν μεταξύ των κατασκευαστών.Επομένως, επαληθεύστε πάντα τη διαμόρφωση PIN από το δελτίο δεδομένων πριν ενσωματώσετε το MOSFET σε ένα κύκλωμα.Αυτό δεν ισχύει μόνο για το IRF9540N, αλλά και για άλλα συχνά χρησιμοποιούμενα MOSFET όπως τα IRFZ44N, BS170, IRF520 και 2N7000.Η διαβούλευση του συγκεκριμένου φύλλου δεδομένων ή του φύλλου προδιαγραφών είναι κρίσιμη για την αποφυγή λανθασμένων συνδέσεων, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε αποτυχία κυκλώματος ή υποβέλτιστη απόδοση.
Τα MOSFETs, ή τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου, κατηγοριοποιούνται σε δύο κύριους τύπους με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους: MOSFETs-Mode-Mode (E-MOSFETs) και MOSFETs-Mode-Mode (D-Mosfets).Κάθε τύπος χωρίζεται περαιτέρω σε Ν-καναλιού και Ρ-καναλιού, ανάλογα με το υλικό ημιαγωγού που χρησιμοποιείται, οδηγώντας σε τέσσερις ξεχωριστές κατηγορίες MOSFET:
Εξάντληση του καναλιού Ν-καναλιού
Εξάντληση του καναλιού P-Channel
Ενίσχυση του καναλιού N MOSFET
Ενίσχυση του καναλιού P-Channel
Εικόνα 5: Τέσσερις διαφορετικοί τύποι MOSFET
Για τους Ν-καναλιού MOSFETs (NMOS), η ροή των ηλεκτρονίων μεταφέρει κυρίως το ρεύμα, γι 'αυτό αναφέρονται ως "N-Channel".Αντίθετα, τα MOSFETs P-Channel (PMOs) βασίζονται στην κίνηση των οπών για τη ροή ρεύματος, εξ ου και το όνομα "P-Channel".
Η εσωτερική δομή των MOSFET ποικίλλει μεταξύ των δύο τρόπων.Σε MOSFETs με την εξάντληση, η πύλη, η αποστράγγιση και η πηγή συνδέονται φυσικά, επιτρέποντας στο ρεύμα να ρέει ακόμη και χωρίς τάση πύλης.Αυτή η λειτουργία επιτρέπει συνήθως στη συσκευή να διεξάγει από προεπιλογή και απαιτεί μια συγκεκριμένη τάση πύλης για απενεργοποίηση.
Τα MOSFETs ενίσχυσης, από την άλλη πλευρά, απαιτούν την πύλη, την αποστράγγιση και την πηγή να είναι φυσικά ξεχωριστά, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζονται θετική τάση πύλης για να αρχίσουν να διεξάγουν.Αυτά τα MOSFET παραμένουν μακριά μέχρι να ικανοποιηθεί αυτό το όριο τάσης, γι 'αυτό χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές που απαιτούν έναν διακόπτη που ενεργοποιείται μόνο υπό ορισμένες συνθήκες.Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος τύπος μεταξύ αυτών είναι το MOSFET βελτίωσης N-Channel.Διαφέρει από το κανάλι P, καθώς το N-Channel MOSFET παραμένει ενεργοποιημένο όσο υπάρχει μια τάση πύλης που εφαρμόζεται, ενώ ο τύπος P-Channel παραμένει μακριά μέχρι να εφαρμοστεί μια τάση πύλης.
Εικόνα 6: Τέσσερα σύμβολα διαφορετικών τύπων MOSFET
Ενώ ένα MOSFET βελτίωσης (E-MOSFET) πρέπει πάντα να έχει θετική τάση πύλης πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο για τη διεξαγωγή, ένα MOSFET με εξάντληση (D-MOSFET) μπορεί να λειτουργήσει είτε με θετική είτε αρνητική τάση πύλης και δεν κλείνει εντελώςμακριά από.Το D-MOSFET μπορεί να λειτουργήσει τόσο σε τρόπους βελτίωσης όσο και στην εξάντληση, παρέχοντας ευελιξία, ενώ το E-MOSFET περιορίζεται μόνο στον τρόπο βελτίωσης.
Η εσωτερική δομή ενός MOSFET (Transistor Field του μεταλλικού οξειδίου του οξειδίου) αντιπροσωπεύει μια προηγμένη έκδοση του συμβατικού τρανζίστορ Effect Field (FET), παρά το γεγονός ότι μοιράζεται την ίδια τριών τερματικών διαμόρφωσης.Κατά την εξέταση ενός MOSFET, θα παρατηρήσετε αρκετά βασικά δομικά χαρακτηριστικά.
Στον πυρήνα του MOSFET, ο ακροδέκτης πύλης συνδέεται με ένα λεπτό μεταλλικό στρώμα.Αυτό το μεταλλικό στρώμα είναι ζωτικής σημασίας καθώς κάθεται παραπάνω και είναι μονωμένο από το υπόλοιπο ημιαγωγό από ένα λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2).Αυτή η μόνωση είναι κρίσιμη επειδή εμποδίζει οποιαδήποτε άμεση ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ της πύλης και του σώματος ημιαγωγών, επιτρέποντας στην πύλη να ελέγχει τη συσκευή με ελάχιστη απώλεια ισχύος.Η πλατφόρμα αυτού του στρώματος πύλης είναι δύο περιοχές που κατασκευάζονται από υλικό ημιαγωγού τύπου Ν μέσα στο σώμα ημιαγωγών.Αυτές οι περιοχές ευθυγραμμίζονται με τους ακροδέκτες αποστράγγισης και πηγής και σχηματίζουν αυτό που είναι γνωστό ως κανάλι.Το κανάλι χρησιμοποιείται για τη ροή ηλεκτρονίων από την πηγή στην αποχέτευση όταν λειτουργεί το MOSFET.
Το υπόστρωμα, σε αντίθεση με το κανάλι, είναι κατασκευασμένο από υλικό τύπου Ρ, ολοκληρώνοντας τη βασική δομή του MOSFET.Αυτός ο συνδυασμός υλικών τύπου Ν και ρ-τύπου δεν είναι μόνο θεμελιώδης για τη λειτουργία του MOSFET, αλλά επιτρέπει επίσης στη συσκευή να χειρίζεται είτε θετικές είτε αρνητικές τάσεις μεροληψίας, ενισχύοντας την ευελιξία του σε διάφορες εφαρμογές.Στην πράξη, όταν δεν εφαρμόζεται τάση στην πύλη, το MOSFET παραμένει μη αγώγιμο.Αυτό το χαρακτηριστικό είναι ιδιαίτερα επωφελές για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή έλεγχο της ροής ρεύματος, όπως σε ηλεκτρονικούς διακόπτες και λογικές πύλες.Η ικανότητα του MOSFET να παραμείνει αδρανής μέχρι να ενεργοποιηθεί καθιστά αναπόσπαστο στοιχείο στον σχεδιασμό ψηφιακού και αναλογικού κυκλώματος, όπου οι ξαφνικές μετατοπίσεις στην κατάσταση μπορεί να ενεργοποιήσουν ή να σταματήσουν αποτελεσματικά τις διάφορες λειτουργίες.
Εικόνα 7: Εσωτερική δομή ενός MOSFET
Το MOSFET (Transistor Field Field Effect του μεταλλικού οξειδίου) λειτουργεί κυρίως ως διακόπτης, διαχείριση τάσης και ρεύματος μεταξύ των ακροδεκτών πηγής και αποστράγγισης.Χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά του πυκνωτή MOS, που βρίσκεται κάτω από το στρώμα οξειδίου, το οποίο συνδέει αυτά τα δύο τερματικά.Μέσα στο MOSFET, ο πυκνωτής MOS είναι το κλειδί.Όταν δεν εφαρμόζεται τάση στην πύλη, το τρανζίστορ παραμένει μακριά, εμποδίζοντας τη ροή της ηλεκτρικής ενέργειας.Αυτό καθιστά το MOSFET ένα αποτελεσματικό συστατικό για εφαρμογές όπως οι διακόπτες και οι λογικές πύλες, όπου η ενεργοποίηση κατά παραγγελία είναι σημαντική.
Εικόνα 8: Αρχή λειτουργίας του MOSFET
Λειτουργία σε δύο τρόπους
Εικόνα 9: Λειτουργία MOSFET σε λειτουργία εξάντλησης
Λειτουργία εξάντλησης: Αρχικά, το MOSFET είναι φυσικά διεξάγει (ανοιχτό).Η εφαρμογή θετικής τάσης στην πύλη ενισχύει αυτή την αγωγιμότητα με τη διεύρυνση του καναλιού που σχηματίζεται από περιοχές ημιαγωγού τύπου Ν σε ένα υπόστρωμα τύπου Ρ.Αυτό το ευρύτερο κανάλι επιτρέπει σε περισσότερα ηλεκτρόνια να ρέουν, αυξάνοντας το ρεύμα (ρεύμα αποστράγγισης, ID).Αντίθετα, μια αρνητική τάση πύλης περιορίζει το κανάλι, μειώνοντας τη ροή και ενδεχομένως να την σταματήσει, οδηγώντας το MOSFET σε μια μη διοργάνωση (αποκοπή) κατάσταση.
Λειτουργία βελτίωσης: Εδώ, το MOSFET ξεκινά ως μη αγκυροβόλιο.Εφαρμόζοντας μια θετική τάση πηγής πύλης (VGS) που υπερβαίνει την τάση κατωφλίου (VTH) ενεργοποιεί τη συσκευή.Αυτή η τάση προκαλεί επαρκή αριθμό φορέων φορτίου (ηλεκτρόνια) για να σχηματίσουν ένα αγώγιμο κανάλι.Όσο μεγαλύτερη είναι η VGS, τόσο περισσότεροι μεταφορείς συσσωρεύουν, ενισχύουν την αγωγιμότητα του καναλιού και έτσι τη ροή του ρεύματος.
Κατά την ενσωμάτωση ενός MOSFET σε ένα κύκλωμα, πρέπει να εξετάσουμε τη λειτουργία του - την εξάντληση ή την ενίσχυση - και να εφαρμόζουν ανάλογα τις τάσεις.Για παράδειγμα, η σύνδεση μιας θετικής τάσης με την πύλη ενός N-καναλιού MOSFET της βελτίωσης οδηγεί στη συσσώρευση ηλεκτρονίων και αρχίζει την αγωγιμότητα.Στα κυκλώματα, πρέπει να σημειωθεί ακρίβεια τάσης, πολύ ψηλά μπορεί να υπερβεί το MOSFET και πολύ χαμηλό μπορεί να μην το ενεργοποιήσει καθόλου.Η παρατήρηση των αλλαγών στη ροή ρεύματος σε σχέση με την τάση πύλης παρέχει άμεση ανατροφοδότηση σχετικά με την επιχειρησιακή κατάσταση του MOSFET και βοηθά στην τελειοποίηση του συστήματος για την επιθυμητή ηλεκτρική απόδοση.
Χαρακτηριστικές καμπύλες και περιοχές λειτουργίας
Εικόνα 10: Λειτουργία εξάντλησης MOSFET
Ohmic περιοχή: Το MOSFET συμπεριφέρεται σχεδόν σαν αντίσταση.Εδώ, η συσκευή επιτρέπει την αύξηση του ρεύματος με αυξανόμενη τάση, αλλά παραμένει εξαρτημένη από την τάση της πύλης που είναι επαρκώς θετική.
Περιοχή κορεσμού: Μόλις η τάση της πηγής αποστράγγισης (VDS) φτάσει σε επίπεδο που ενεργοποιεί πλήρως το κανάλι, το MOSFET εισέρχεται στον κορεσμό.Σε αυτή την κατάσταση, το ρεύμα αποστράγγισης σταθεροποιείται και δεν αυξάνεται με περαιτέρω αυξήσεις σε VDS, υποδηλώνοντας μέγιστη αγωγιμότητα κάτω από την τρέχουσα τάση πύλης.
Περιοχή αποκοπής: Εάν η τάση της πύλης πέσει κάτω από το κατώφλι ή το VDS υπερβαίνει τα λειτουργικά όρια, το MOSFET σταματά να διεξάγει, απενεργοποιώντας αποτελεσματικά την τρέχουσα ροή.Η αντίσταση της συσκευής γίνεται πολύ υψηλή, σχεδόν άπειρη.
Εικόνα 11: Λειτουργία βελτίωσης MOSFET Χαρακτηριστικά
Τα MOSFET χρησιμοποιούνται συνήθως ως διακόπτες σε ηλεκτρονικά κυκλώματα για τον έλεγχο των ηλεκτρικών φορτίων όπως τα φώτα και τους κινητήρες.Αυτή η λειτουργία εκτελείται με το χειρισμό της τάσης πύλης (VGS), η οποία επηρεάζει άμεσα εάν το ρεύμα ρέει μέσω του φορτίου.
Εικόνα 12: MOSFET ως συσκευή μεταγωγής
Σε ένα βασικό κύκλωμα μεταγωγής, μια θετική τάση πύλης ενεργοποιεί το MOSFET ενεργοποιημένο, επιτρέποντας τη λειτουργία του ρεύματος και του συνδεδεμένου φορτίου (όπως ένα φως ή κινητήρα).Αντίθετα, όταν η τάση της πύλης είναι μηδενική ή αρνητική, το MOSFET σβήνει, σταματώντας τη ροή του ρεύματος και απενεργοποιώντας το φορτίο.Για να διασφαλιστεί ότι το MOSFET παραμένει μακριά όταν δεν είναι ενεργά αφοσιωμένο, είναι κοινό να ενσωματωθεί μια αντιστάθμιση έλξης (R1) μεταξύ της πύλης και του εδάφους.Αυτή η αντίσταση βοηθά στην αποστράγγιση οποιασδήποτε υπολειμματικής φόρτισης στην πύλη, ρυθμίζοντας σταθερά το MOSFET σε κατάσταση εκτός λειτουργίας όταν δεν υπάρχει τάση εισόδου.Η τιμή αντίστασης για το R1 συνήθως κυμαίνεται από διάφορα kilo-ohms έως δεκάδες kilo-ohms, ανάλογα με τις συγκεκριμένες ανάγκες του κυκλώματος.
Για πιο λεπτό έλεγχο, όπως η ρύθμιση της ταχύτητας του κινητήρα ή των φώτων αποχώρησης, χρησιμοποιούνται σήματα διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM).Αυτά τα σήματα ενεργοποιούν γρήγορα το MOSFET και απενεργοποιούνται για να ελέγξουν την αποτελεσματική ισχύ που παραδίδεται στο φορτίο.Ωστόσο, η ταχεία εναλλαγή μπορεί να διεγείρει την χωρητικότητα της πύλης, ενδεχομένως να οδηγήσει σε ανεπιθύμητα αντίστροφα ρεύματα.Για να αντισταθμιστεί αυτό, τοποθετείται ένας πυκνωτής ρεύματος (C1) μεταξύ της πύλης και της πηγής.Αυτός ο πυκνωτής βοηθά στην άμβλυνση των επιπτώσεων αυτών των αντίστροφων ρευμάτων και γενικά επιλέγεται για να είναι μερικές εκατοντάδες picofarads σε μερικά νανοπαράδες.Σε σενάρια όπου το φορτίο είναι επαγωγικό (όπως οι κινητήρες ή οι επαγωγείς), απαιτούνται ειδικές εκτιμήσεις λόγω της πιθανότητας για αντίστροφα ρεύματα που παράγονται από τις επαγωγικές ιδιότητες.Αυτά τα ρεύματα εμφανίζονται όταν η τάση που οδηγεί το φορτίο ξαφνικά κόβεται, προκαλώντας μια πίσω ηλεκτρομαγνητική δύναμη.Για την προστασία του MOSFET από πιθανή ζημιά από αυτές τις αντίστροφες τάσεις, προστίθενται προστατευτικά στοιχεία όπως οι δίοδοι καταστολής αντίστροφης τάσης (δίοδοι ελεύθερων εδάφους) ή πρόσθετοι πυκνωτές στο κύκλωμα.
Κατά το σχεδιασμό και την εφαρμογή αυτών των κυκλωμάτων, τα πρακτικά βήματα περιλαμβάνουν την επιλογή κατάλληλων τιμών για αντιστάσεις και πυκνωτές που βασίζονται στα χαρακτηριστικά φορτίου και στην επιθυμητή δυναμική ελέγχου.Οι μηχανικοί πρέπει να εξισορροπήσουν προσεκτικά την ανταπόκριση κατά της σταθερότητας και της προστασίας για να εξασφαλίσουν αξιόπιστη και αποτελεσματική λειτουργία.
Η συσκευασία MOSFET διαδραματίζει ένα ρόλο στην επίδραση του χειρισμού ισχύος, της θερμικής διαχείρισης και των φυσικών δυνατοτήτων τοποθέτησης της συσκευής.
Εικόνα 13: Τέσσερις διαφορετικοί τύποι πακέτων MOSFET
Αναρτημένο στην επιφάνεια
Αυτά τα πακέτα έχουν σχεδιαστεί για διατάξεις τυπωμένου κυκλώματος υψηλής πυκνότητας (PCB) και είναι γνωστά για την αποτελεσματική θερμική διαχείριση τους.Οι συνήθεις τύποι περιλαμβάνουν TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23 και TSOP-6.Επιλέγονται συνήθως για εφαρμογές όπου ο χώρος βρίσκεται σε ένα ασφάλιστρο και οι απαιτήσεις ισχύος είναι μέτριες, όπως σε κινητές συσκευές, εξοπλισμό επικοινωνίας και ηλεκτρονικά καταναλωτικά.Η τεχνολογία επιφανειακής βάσης επιτρέπει ευκολότερη και ταχύτερη συναρμολόγηση σε PCB, ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα της παραγωγής.
Εικόνα 14: MOSFET Surface Mount
Μεταξύ των οπών
Αυτός ο τύπος συσκευασίας προτιμάται για εφαρμογές που απαιτούν υψηλότερη ισχύ και δυνατότητες χειρισμού ρεύματος μαζί με ισχυρή μηχανική υποστήριξη και βελτιωμένη διάχυση θερμότητας.Τα τυποποιημένα πακέτα μεταξύ των οπών, όπως το TO-262, το TO-251, το TO-274, το TO-220 και το TO-247, βρίσκονται συχνά σε βιομηχανικό εξοπλισμό, συστήματα ενέργειας και ηλεκτρονικά αυτοκινήτων.Οι οδηγοί των πακέτων μεταξύ των οπών εισάγονται σε τρυπημένες οπές στο PCB και στη συνέχεια συγκολλούνται, παρέχοντας έναν ισχυρό μηχανικό δεσμό και καλύτερη θερμική σύνδεση για τη διαφυγή θερμότητας, η οποία είναι ιδανική για εφαρμογές υψηλής ισχύος.
Εικόνα 15: MOSFET Thru-Hole
PQFN (πλαστικό τετράγωνο επίπεδο μη-μολύβδου)
Τα πακέτα PQFN προσφέρουν ένα συμπαγές αποτύπωμα και είναι οικονομικά αποδοτικά, καθιστώντας τα ιδανικά για καταστάσεις όπου ο χώρος στο PCB είναι περιορισμένος, αλλά απαιτείται υψηλής πυκνότητας ισχύος.Τα μεγέθη ποικίλλουν, με κοινές επιλογές, συμπεριλαμβανομένων των PQFN 2X2, PQFN 3X3, PQFN 3.3x3.3, PQFN 5x4 και PQFN 5x6.Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν συνήθως φορητές συσκευές, συστήματα ασύρματων επικοινωνιών, βιομηχανικούς ελέγχους, φωτισμό LED κ.ο.κ.
Εικόνα 16: MOSFET PQFN
Κατεύθυνση
Γνωστή για τη χαμηλή αντίσταση και τη χαμηλή επαγωγή τους, τα πακέτα DirectFET είναι εξαιρετικά για εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας.Οι παραλλαγές όπως το DirectFET M4, το DirectFET MA, το DirectFET MD, το DirectFET ME, το DirectFET S1 και το DirectFET SH χρησιμοποιούνται συχνά σε μετατροπείς ισχύος, κινητικές μονάδες και άλλα συστήματα υψηλής απόδοσης, όπου ελαχιστοποιούν τις απώλειες μεταγωγής και τη μεγιστοποίηση της απόδοσης.Ο σχεδιασμός DirectFET ενσωματώνεται καλά με τους ψύκτες θερμότητας, βοηθώντας περαιτέρω τη θερμική διαχείριση.
Εικόνα 17: MOSFET DirecTFET
Η επιλογή της κατάλληλης συσκευασίας MOSFET περιλαμβάνει την εξέταση του επιχειρησιακού περιβάλλοντος, της απαιτούμενης ισχύος και της θερμικής διαχείρισης, των φυσικών περιορισμών χώρου και των ειδικών αναγκών εφαρμογής.Για παράδειγμα, στα ηλεκτρονικά στοιχεία των καταναλωτών, όπου το συμπαγές μέγεθος και η χαμηλή ισχύς είναι προτεραιότητες, ένα μικρό πακέτο επιφανειακής στήριξης μπορεί να είναι ιδανική.Αντίθετα, οι βιομηχανικές ή αυτοκινητοβιομηχανικές ρυθμίσεις που χειρίζονται υψηλότερη ισχύ και απαιτούν πιο ισχυρά συστήματα μπορεί να ωφεληθούν περισσότερο από πακέτα μεταξύ οπών ή DirectFET.Κάθε τύπος συσκευασίας προσφέρει μοναδικά οφέλη και θα πρέπει να αντιστοιχεί προσεκτικά στις απαιτήσεις της εφαρμογής για να εξασφαλίσει τη βέλτιστη απόδοση και ανθεκτικότητα.
Η επιλογή του σωστού MOSFET για την εφαρμογή σας περιλαμβάνει μερικά κρίσιμα βήματα που επηρεάζουν την απόδοση και την καταλληλότητα της συσκευής για το σχεδιασμό σας.Δείτε πώς μπορείτε να προσεγγίσετε αυτήν τη διαδικασία επιλογής.
Επιλέξτε N-Channel ή P-Channel
Ξεκινήστε καθορίζοντας εάν ένα N-Channel ή P-Channel MOSFET είναι το καλύτερο για το σχέδιό σας.Εάν ρυθμίζετε έναν διακόπτη χαμηλής πλευράς, ο οποίος συνδέει το MOSFET στο έδαφος και το φορτίο στην τάση του δικτύου, ένα MOSFET N-Channel είναι τυπικά προτιμότερο επειδή απαιτεί χαμηλότερη τάση για ενεργοποίηση.Αντιστρόφως, σε μια ρύθμιση διακόπτη υψηλής πλευράς όπου το MOSFET συνδέεται με το δίαυλο ισχύος και το φορτίο στο έδαφος, ένα MOSFET P-Channel επιλέγεται συχνά για παρόμοιες εκτιμήσεις τάσης.Το κλειδί εδώ είναι η κατανόηση της τάσης που απαιτείται για να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε το MOSFET και πώς αυτό ενσωματώνεται στο σχέδιό σας.Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει τον έλεγχο της μέγιστης τάσης που μπορεί να χειριστεί το MOSFET (VDS).Αυτή η τάση θα πρέπει να είναι υψηλότερη από το μέγιστο του συστήματός σας για να εξασφαλιστεί η ασφάλεια έναντι των απροσδόκητων αιχμών.Οι σχεδιαστές πρέπει να εξετάσουν αυτήν την αξιολόγηση σε διάφορες θερμοκρασίες, καθώς η απόδοση του MOSFET μπορεί να ποικίλει ανάλογα με τις αλλαγές θερμοκρασίας.
Προσδιορίστε το ονομαστικό ρεύμα
Η επόμενη φάση είναι να επιλέξετε ένα MOSFET που μπορεί να χειριστεί το μέγιστο ρεύμα που θα απαιτήσει η εφαρμογή σας.Αυτό συνεπάγεται την εξέταση όχι μόνο της κανονικής ροής ρεύματος αλλά και των πιθανών αιχμών στο ρεύμα.Αυτό θα μπορούσε να είναι σε συνεχή λειτουργία ή ως παλμός.Η διασφάλιση ότι το MOSFET μπορεί να διαχειριστεί αυτές τις απαιτήσεις περιλαμβάνει τον έλεγχο της τρέχουσας αξιολόγησης και των ζημιών αγωγιμότητας, οι οποίες συμβαίνουν επειδή ένα MOSFET ενεργεί κάπως σαν αντίσταση όταν είναι ενεργοποιημένη.
Προσδιορίστε τις θερμικές απαιτήσεις
Ξεκινήστε χρησιμοποιώντας το σενάριο χειρότερης περίπτωσης για να δημιουργήσετε ένα ασφαλές περιθώριο.Βασικά στοιχεία στο φύλλο δεδομένων MOSFET, όπως η θερμική αντίσταση και η μέγιστη θερμοκρασία σύνδεσης, βοηθούν σε αυτούς τους υπολογισμούς.Θα υπολογίσετε τη μέγιστη διάχυση ισχύος, η οποία καθορίζεται από την εξίσωση θερμοκρασίας διασταύρωσης: μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος συν το προϊόν της θερμικής αντίστασης και της διάχυσης ισχύος.Αυτός ο υπολογισμός θα καθοδηγήσει το σχεδιασμό του συστήματος για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση, η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποτυχία της συσκευής.
Προσδιορίστε την απόδοση του διακόπτη
Τέλος, αξιολογήστε την απόδοση μεταγωγής, η οποία επηρεάζεται από παράγοντες όπως η χωρητικότητα της πύλης, της αποστράγγισης και της πηγής.Αυτοί οι πυκνωτές δημιουργούν απώλειες κάθε φορά που οι διακόπτες MOSFET, επηρεάζοντας τόσο την ταχύτητα όσο και την αποτελεσματικότητα.Οι πρόοδοι στην τεχνολογία MOSFET, όπως το Superfet, στοχεύουν στη βελτιστοποίηση αυτών των παραγόντων, μειώνοντας το RDS (ON) και το φορτίο πύλης, ενισχύοντας έτσι τόσο την αποτελεσματικότητα της αγωγιμότητας όσο και την απόδοση της αλλαγής.
Τα MOSFETs ξεχωρίζουν ως εξαιρετικά αποτελεσματικές συσκευές αλλαγής ισχύος, προσφέροντας σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των παραδοσιακών BJT, ιδιαίτερα σε εφαρμογές υψηλής ισχύος και υψηλής συχνότητας.Ο λειτουργικός τους μηχανισμός, ο οποίος αξιοποιεί τα ηλεκτρικά πεδία αντί της έγχυσης φορέα για τον έλεγχο της ροής ρεύματος, επιτρέπει ταχύτερες ταχύτητες μεταγωγής και μειωμένες απώλειες ισχύος.Τα MOSFETs διατίθενται σε διάφορους τύπους, όπως λειτουργία βελτίωσης και λειτουργία εξάντλησης, καθώς και επιλογές N-καναλιού και καναλιού.Αυτή η ποικιλομορφία προσφέρει στους σχεδιαστές την ευελιξία να προσαρμόσουν την επιλογή τους σε συγκεκριμένες ανάγκες εφαρμογών, ιδιαίτερα σε σενάρια που απαιτούν ισχυρή τάση και χειρισμό ρεύματος, μαζί με αποτελεσματική θερμική διαχείριση και απόδοση μεταγωγής.
Κατά την επιλογή ενός MOSFET, είναι σημαντικό να εξετάσουμε όχι μόνο τις θεμελιώδεις παραμέτρους όπως η μέγιστη τάση της πηγής αποστράγγισης (VDS), το ρεύμα αποστράγγισης (ID) και η αντοχή (RDS (ON)), αλλά και να αξιολογηθούν άλλοι κρίσιμοι παράγοντες.Αυτές περιλαμβάνουν τη συσκευασία του MOSFET, τις δυνατότητες διάχυσης θερμότητας και τη φόρτιση της πύλης, τα οποία συμβάλλουν στην αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα του τελικού σχεδιασμού.Οι εξελίξεις στην τεχνολογία συνεχίζουν να ενισχύουν την απόδοση του MOSFET.Οι καινοτομίες όπως το Superfet βελτιστοποιούν τις εσωτερικές δομές και τις διαδικασίες κατασκευής, τη βελτίωση της απόδοσης των συσκευών, τη μείωση του μεγέθους και την ελαχιστοποίηση των απωλειών μεταγωγής.Αυτές οι βελτιώσεις επιτρέπουν σε MOSFET να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες και σε πιο απαιτητικά περιβάλλοντα, διευρύνοντας το φάσμα εφαρμογών τους.
Συχνές ερωτήσεις [FAQ]
1. Σε τι χρησιμοποιείται ένα mosfet;
Ένα MOSFET χρησιμοποιείται κυρίως ως συσκευή μεταγωγής ή ως ενισχυτής σε διάφορους τύπους ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.Αυτό περιλαμβάνει τροφοδοσία, μητρικές πλακέτες υπολογιστών και ελεγκτές κινητήρα, οι οποίοι ελέγχουν αποτελεσματικά τη ροή ισχύος και ενισχύουν τα σήματα.
2. Ποιο είναι το καλύτερο, το FET ή το MOSFET;
Γενικά, τα MOSFET θεωρούνται καλύτερα από τα παραδοσιακά FETs επειδή έχουν μεγαλύτερη απόδοση, μεγαλύτερη επεκτασιμότητα σε ηλεκτρονικές εφαρμογές και ταχύτερους χρόνους μεταγωγής.Τα MOSFETs προσφέρουν επίσης καλύτερες επιδόσεις όσον αφορά το χειρισμό της εξουσίας και την κλιμάκωση της τεχνολογίας.
3. Ποια είναι η αρχή λειτουργίας ενός MOSFET;
Ένα MOSFET λειτουργεί χρησιμοποιώντας το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από την τάση που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη της πύλης για τον έλεγχο της ροής ρεύματος μεταξύ των ακροδεκτών της πηγής και της αποστράγγισης.Αυτή η τάση πύλης αλλάζει την αγωγιμότητα ενός καναλιού ημιαγωγού μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, επιτρέποντας ή εμποδίζοντας τη ροή του ρεύματος.
4. Ποια είναι τα πλεονεκτήματα του MOSFET;
Υψηλή αντίσταση εισόδου, ελαχιστοποιώντας το ρεύμα που προέρχεται από το κύκλωμα οδήγησης.
Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ιδιαίτερα χρήσιμη σε εφαρμογές ευαίσθητου στην ισχύ.
Γρήγορη ταχύτητα μεταγωγής, ενίσχυση της απόδοσης σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας.
Καλή θερμική σταθερότητα, καθιστώντας τα κατάλληλα για διάφορες συνθήκες λειτουργίας.
5. Τι προκαλεί την αποτυχία ενός MOSFET;
Τα MOSFETs μπορούν να αποτύχουν λόγω πολλών παραγόντων:
Η υπερθέρμανση προκαλείται από την υπερβολική διάχυση της ισχύος.
Η υπερτιμώμενη, η οποία μπορεί να υπερβεί την τάση της βαθμολογίας του MOSFET και να το βλάψει.
Η ηλεκτροστατική εκκένωση (ESD) κατά τη διάρκεια του χειρισμού μπορεί να καταστρέψει το οξείδιο της πύλης.
Η εσφαλμένη τάση κίνησης, είτε πολύ υψηλή είτε πολύ χαμηλή, μπορεί να οδηγήσει σε ελλιπή εναλλαγή και επακόλουθη υπερθέρμανση.
Η εφαρμογή αντίστροφης πολικότητας, ειδικά για την πύλη, μπορεί επίσης να οδηγήσει σε αποτυχία.