Содержание
Основные параметры мощных транзисторов
Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.
В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.
Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.
Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.
Что такое HEXFET транзистор?
В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.
Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».
Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.
Как видим, он имеет шестиугольную структуру.
Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.
Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала RDS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.
Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:
Схемы коммутации электропитания.
Системы управления электродвигателями.
Усилители низкой частоты.
Ключи для управления мощными нагрузками.
Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.
Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS
Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).
Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:
О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.
Основные параметры полевых транзисторов.
Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:
VDSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.
ID (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, VGS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.
RDS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (RDS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.
PD (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.
VGS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.
VGS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше VGS(th), то транзистор будет закрыт.
На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение VGS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175 0 C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0 0 C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.
Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.
Предельное напряжение сток-исток (VDSS): 55 Вольт.
Максимальный ток стока (ID): 51 Ампер.
Предельное напряжение затвор-исток (VGS): 16 Вольт.
Сопротивление сток-исток открытого канала (RDS(on)): 13,5 мОм.
Максимальная мощность (PD): 80 Ватт.
Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!
Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.
Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25 0 C) до 36А (при t=100 0 С)). Мощность при температуре корпуса 25 0 С равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.
Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как Ciss (Input Capacitance).
На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.
В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.
Важные особенности MOSFET транзисторов.
Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.
При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.
Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не "развязан" от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные "наводки" из электросети.
Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.
MOSFET — это аббревиатура от английского словосочетания Metal-Ox-ide-Semiconductor Field Effect Transistor (Металл-Оксидные Полупроводниковые Полевые Транзисторы).
Данный класс транзисторов отличается, прежде всего, минимальной мощностью управления при значительной выходной (сотни ватт). Также необходимо отметить чрезвычайно малые значения сопротивления в открытом состоянии (десятые доли ома при выходном токе в десятки ампер) а, следовательно, минимальную мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла.
Обозначается этот тип транзисторов следующим образом:
 N-канальный |
 P-канальный |
, где G — затвор D — сток S — исток |
Также для сокращения числа внешних компонентов, в транзистор может быть встроен мощный высокочастотный демпферный диод.
К неоспоримым преимуществам MOSFET перед биполярными можно отнести также следующие пункты:
- Минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току, обеспечивает простоту схем управления (есть даже разновидность MOSFET управляемая логическими уровнями)
- Большая скорость переключения (при этом минимальны задержки выключения, обеспечивается широкая область безопасной работы)
- Возможность простого параллельного включения транзисторов для увеличения выходной мощности
- Устойчивость транзисторов к большим импульсам напряжения (dv/dt)
Данные приборы находят широкое применение в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных источниках питания (здесь область их применения несколько ограничена максимальным напряжением сток-исток (до 1000 В), для более высоковольтных приложений используются IGBT транзисторы, информацию по ним Вы можете найти в подразделе ).
Основные параметры MOSFET-транзисторов:
Ucи.макс. — Максимальное напряжение сток-исток
Ic.макс. — Максимальный продолжительный ток стока при температуре кристалла 25 °С, при повышении температуры до 100 °С этот ток падает на
30%, при работе в импульсном режиме — повышается в
2-4 раза в зависимости от модели и длительности импульса
Pс.макс. — Максимальная рассеиваемая стоком мощность при температуре кристалла 25 °С, при повышении температуры до 100 °С значение мощности линейно падает в
2. 2,5 раза
Rсиотк. — Максимальное значение статического сопротивления сток-исток в открытом состоянии
| Наименование | Тип канала | Uси макс., В | Iс макс., А | Pс макс., Вт | Rсиотк., Ом |
| В корпусе SOT-223 | |||||
| IRFL014 | N | 60 | 2,7 | 2 | 0,2 |
| IRFL014N | N | 55 | 1,9 | 2,1 | 0,16 |
| IRFL024N | N | 55 | 2,8 | 2,1 | 0,075 |
| IRFL110 | N | 100 | 1,5 | 2 | 0,54 |
| IRFL210 | N | 200 | 0,96 | 2 | 1,5 |
| IRFL4105 | N | 55 | 3,7 | 2,1 | 0,045 |
| IRFL4310 | N | 100 | 1,6 | 2,1 | 0,2 |
| IRFL9014 | P | 60 | 1,8 | 2 | 0,5 |
| IRFL9110 | P | 100 | 1,1 | 2 | 1,2 |
| SPN04N60C2 | N | 600 | 0,4 | 1,8 | 0,95 |
| В корпусе D2PAK | |||||
| IRF530NS | N | 100 | 14 | 75 | 0,16 |
| IRF540NS | N | 100 | 33 | 130 | 0,052 |
| IRF630NS | N | 200 | 9,3 | 82 | 0,3 |
| IRF640NS | N | 200 | 18 | 125 | 0,15 |
| IRF740S | N | 400 | 10 | 125 | 0,55 |
| IRF840S | N | 500 | 8 | 125 | 0,85 |
| IRFZ44NS | N | 55 | 49 | 110 | 0,022 |
| IRF1310NS | N | 100 | 42 | 160 | 0,036 |
| IRF1404S | N | 40 | 162 | 200 | 0,004 |
| IRF3205S | N | 55 | 110 | 200 | 0,008 |
| IRF3710S | N | 100 | 57 | 200 | 0,025 |
| IRF4905S | P | 55 | 74 | 200 | 0,02 |
| IRF5210S | P | 100 | 40 | 200 | 0,06 |
| IRF5305S | P | 55 | 31 | 110 | 0,06 |
| IRF9Z34NS | P | 55 | 19 | 68 | 0,1 |
| MTD20N06HD | N | 60 | 20 | 40 | 0,045 |
| В корпусе SO8 | |||||
| IRF7103 | N+N | 50 | 3 | 2 | 0,13 |
| IRF7104 | P+P | 20 | 2,3 | 2 | 0,25 |
| IRF7105 | N+(P) | 25 | 3,5(2,3) | 2 | 0,109(0,25) |
| IRF7201 | N | 30 | 7 | 2,5 | 0,03 |
| IRF7204 | P | 20 | 5,3 | 2,5 | 0,06 |
| IRF7205 | P | 30 | 4,6 | 2,5 | 0,07 |
| IRF7207 | P | 20 | 5,4 | 2,5 | 0,06 |
| IRF7210 | P | 12 | 16 | 2,5 | 0,007 |
| IRF7220 | P | 14 | 11 | 2,5 | 0,012 |
| IRF7301 | N+N | 20 | 5,2 | 2 | 0,05 |
| IRF7303 | N+N | 30 | 4,9 | 2 | 0,05 |
| IRF7304 | P+P | 20 | 4,3 | 2 | 0,09 |
| IRF7306 | P+P | 30 | 3,6 | 2 | 0,1 |
| IRF7307 | N+(P) | 20 | 4,3(3,6) | 1,4 | 0,05(0,09) |
| IRF7309 | N+(P) | 30 | 4,9(3,6) | 2 | 0,05(0,1) |
| IRF7311 | N+N | 20 | 6,6 | 2 | 0,029 |
| IRF7313 | N+N | 30 | 6,5 | 2 | 0,029 |
| IRF7314 | P+P | 20 | 5,3 | 2 | 0,058 |
| IRF7316 | P+P | 30 | 4,9 | 2 | 0,058 |
| IRF7319 | N+(P) | 30 | 6,5(4,9) | 2 | 0,029(0,058) |
| IRF7341 | N+N | 55 | 4,7 | 2 | 0,05 |
| IRF7342 | P+P | 55 | 3,4 | 2 | 0,105 |
| IRF7343 | N+(P) | 55 | 4,7(3,4) | 2 | 0,05(0,105) |
| IRF7389 | N+(P) | 30 | 7,3(5,3) | 2,5 | 0,029(0,058) |
| IRF7401 | N | 20 | 8,7 | 2,5 | 0,022 |
| IRF7403 | N | 30 | 8,5 | 2,5 | 0,022 |
| IRF7404 | P | 20 | 6,7 | 2,5 | 0,04 |
| IRF7406 | P | 30 | 5,8 | 2,5 | 0,045 |
| IRF7413 | N | 30 | 13 | 2,5 | 0,011 |
| IRF7416 | P | 30 | 10 | 2,5 | 0,02 |
| IRF7450 | N | 200 | 2,5 | 2,5 | 0,17 |
| IRF7455 | N | 30 | 15 | 2,5 | 0,0075 |
| IRF7468 | N | 40 | 9,4 | 2,5 | 0,0155 |
| В корпусе TO-252AA | |||||
| IRFR024N | N | 55 | 17 | 45 | 0,075 |
| IRFR120N | N | 100 | 7,7 | 42 | 0,27 |
| IRFR310 | N | 400 | 1,7 | 25 | 3,6 |
| IRFR320 | N | 400 | 3,1 | 42 | 1,8 |
| IRFR3303 | N | 30 | 33 | 57 | 0,031 |
| IRFR3910 | N | 100 | 15 | 52 | 0,11 |
| IRFR4105 | N | 55 | 27 | 68 | 0,045 |
| IRFR420 | N | 500 | 2,4 | 42 | 3 |
| IRFR5305 | N | 55 | 28 | 89 | 0,065 |
| IRFR9010 | P | 100 | 3,1 | 25 | 1,2 |
| IRFR9024 | P | 60 | 8,8 | 42 | 0,88 |
| IRFR9024N | P | 55 | 11 | 38 | 0,175 |
| IRFR9110 | P | 100 | 3,1 | 25 | 1,2 |
| IRFR9120N | P | 100 | 6,5 | 39 | 0,48 |
| IRFR9220 | P | 200 | 3,6 | 42 | 1,5 |
| IRFRC20 | N | 600 | 2 | 42 | 4,4 |
С управлением логическим уровнем
Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.
Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.
Кратко о MOSFET
MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.
Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.
Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).
Кратко о IGBT
Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.
IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.
Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.
Сравнение IGBT с MOSFET
Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.
MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.
Подведем итог
Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.
МОП-транзистор:
- Высокая частота переключения.
- Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
- Более низкая емкость затвора.
- Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
- Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.
IGBT модуль:
- Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
- Лучшая устойчивость к перегрузкам.
- Улучшенная способность распараллеливания схемы.
- Более быстрое и плавное включение и выключение.
- Снижение потерь при включении и при переключении.
- Снижение входной мощности.
В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.
Обсудить статью MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT
Простой импульсный металлоискатель для начинающих радиолюбителей — "PIRAT". Разработка коллектива нашего форума.
Схема питания самой колбы люминсцентной лампы или куда девать энергосберегалки со сгоревшими нитями накала.
Схема, фотографии и описание китайского прибора для экономии электроэнергии.
