В чем разница между полевыми транзисторами (FET), продаваемыми как переключатели, и усилителями?

Существуют различные варианты конструкции транзисторов, причем некоторые компромиссы лучше подходят для коммутационных приложений, а другие - для «линейных» приложений.

Переключатели предназначены для того, чтобы проводить большую часть своего времени полностью во включенном или полностью выключенном состоянии. Таким образом, состояния «включено» и «выключено» важны, а кривая отклика промежуточных состояний не слишком важна.

Для большинства приложений ток утечки большинства транзисторов в закрытом состоянии достаточно мал, чтобы не иметь значения. Для коммутационных приложений одним из наиболее важных параметров является то, насколько «включен» он, что количественно определено Rdson в полевых транзисторах и напряжением и током насыщения в биполярных транзисторах. Вот почему переключающие полевые транзисторы будут иметь спецификации Rdson не только для того, чтобы показать, насколько они хороши при полном включении, но и потому, что для разработчиков схемы также важно знать, сколько напряжения они будут падать и сколько тепла они будут рассеивать.

Транзисторы, используемые в качестве усилителей общего назначения, работают в «линейной» области. Они могут быть не такими уж линейными по своим характеристикам, но это название используется в отрасли для обозначения промежуточного диапазона, в котором транзистор ни полностью открыт, ни полностью выключен. На самом деле, при использовании усилителя вы никогда не должны достигать ни одного из предельных состояний. Следовательно, Rdson не так важен, поскольку вы планируете никогда не находиться в этом состоянии. Однако вы хотите знать, как устройство реагирует на различные комбинации напряжения затвора и напряжения стока, потому что вы планируете использовать его в широком спектре из них.

Существуют компромиссы, на которые может пойти разработчик транзисторов в пользу более пропорционального отклика на напряжение затвора по сравнению с наилучшим полным эффективным сопротивлением. Вот почему некоторые транзисторы рекламируются как переключатели, а не для линейных операций. Затем таблицы данных также фокусируются на спецификациях, наиболее важных для разработчика схемы для предполагаемого использования.

Для мощных полевых МОП-транзисторов существует хорошее эмпирическое правило, указывающее, что чем новее деталь, тем лучше она оптимизирована для коммутационных приложений. Первоначально МОП-транзисторы использовались в качестве проходных элементов в линейных стабилизаторах напряжения (отсутствие базового тока ухудшало потери холостого хода или общий КПД) или аудиоусилителях класса AB. Сегодня движущей силой разработки новых поколений полевых МОП-транзисторов, безусловно, является повсеместное распространение импульсных источников питания и продолжающееся стремление к управлению двигателями с помощью преобразователей частоты. Все, что было достигнуто в этом отношении, является не чем иным, как впечатляющим.

Некоторые из характеристик, которые улучшались с каждым новым поколением переключающих МОП-транзисторов:

• Понижение R _DS,on — потому что минимизация потерь проводимости означает максимизацию общей эффективности.
• Меньшая паразитная емкость - поскольку меньший заряд вокруг затвора помогает снизить потери при возбуждении и увеличить скорость переключения; меньшее время, затрачиваемое на переходы переключения, означает меньшие потери при переключении.
• Меньшее время обратного восстановления внутреннего диода; связано с более высоким рейтингом dV / dt - это также помогает снизить потери при переключении, а также означает, что вы не можете так легко разрушить MOSFET, когда вы принудительно отключаете его очень, очень быстро.
• Стойкость к лавинам. В коммутационных приложениях всегда задействована катушка индуктивности. Отключение тока в катушке индуктивности означает создание больших скачков напряжения. При плохом демпфировании или полном разжатии пики будут выше, чем максимальное номинальное напряжение MOSFET. Хороший лавинный рейтинг означает, что вы получаете дополнительный бонус до того, как произойдет катастрофический сбой.

Тем не менее, есть одна не очень известная ошибка для линейных применений MOSFET, которая стала более заметной с их новыми поколениями:

• FBSOA (безопасная рабочая зона с прямым смещением), т. е. допустимая мощность в линейном режиме работы.

По общему признанию, это проблема любого типа МОП-транзисторов, старых и новых, но старые процессы были немного более щадящими. Это график, который содержит большую часть релевантной информации:

Источник: АТЭС, ИРФ .

При высоком напряжении затвор-исток повышение температуры приведет к увеличению сопротивления в открытом состоянии и уменьшению тока стока. Для коммутационных приложений это просто идеально: МОП-транзисторы переходят в хорошее насыщение с высоким V _GS . Подумайте о параллельных МОП-транзисторах и имейте в виду, что один МОП-транзистор имеет множество крошечных параллельных МОП-транзисторов на своей микросхеме. Когда один из этих полевых МОП-транзисторов нагревается, он будет иметь повышенное сопротивление, и больший ток будет «забираться» его соседями, что приводит к хорошему общему распределению без горячих точек. Потрясающий.

Однако для V _GS ниже значения пересечения двух линий, называемого пересечением при нулевой температуре (см . приложение IRF 1155 ), повышение температуры приведет к уменьшению R _DS,on и увеличению тока стока. Именно здесь тепловой разгон постучит в вашу дверь, вопреки распространенному мнению, что это явление только для BJT. Будут возникать горячие точки, и ваш полевой МОП-транзистор может эффектным образом самоуничтожиться, унеся с собой некоторые красивые схемы по соседству.

Ходят слухи, что более старые боковые MOSFET-транзисторы имели лучшие характеристики передачи через свои внутренние, параллельные, встроенные MOSFET-транзисторы по сравнению с более новыми траншейными устройствами, оптимизированными в соответствии с вышеупомянутыми характеристиками, важными для коммутационных приложений. Это дополнительно подтверждается документом, на который я уже ссылался , показывающим, как более новые устройства имеют даже увеличивающееся V _GS для точки пересечения нулевой температуры.

Короче говоря: существуют мощные полевые МОП-транзисторы, которые лучше подходят для линейных приложений или приложений переключения. Поскольку линейные приложения стали чем-то вроде нишевого приложения, например, для стоков тока , управляемых напряжением, необходимо проявлять особую осторожность в отношении графика для области безопасной работы с прямым смещением ( FB-SOA ). Если он не содержит линии для работы от постоянного тока, это важный намек на то, что устройство, скорее всего, не будет хорошо работать в линейных приложениях.

Вот еще одна ссылка на документ IRF с хорошим обобщением большинства вещей, которые я здесь упомянул.