Полевые транзисторы MOSFET — подбор по сопротивлению канала и заряду затвора

Подбор полевого транзистора под схему коммутации сводится к двум связанным величинам: сопротивлению открытого канала и заряду затвора. Первая определяет потери на проводимость, вторая — потери на переключение и требования к драйверу. Эти параметры противоположны по характеру: кристалл с низким сопротивлением имеет большую площадь, а значит и большую входную ёмкость, поэтому «лучший по сопротивлению» транзистор в схеме с высокой частотой коммутации оказывается хуже среднего.

Ниже разобрано, как считать потери по обоим механизмам, почему класс напряжения задаёт достижимое сопротивление и какие параметры сверяются до закупки партии. Позиции собраны в разделе полевые транзисторы MOSFET.

Сопротивление открытого канала

Сопротивление указывается при конкретном напряжении на затворе, и это обязательная часть параметра. Alpha & Omega AO3400A в корпусе SOT-23 имеет сопротивление менее 32 мОм при напряжении затвор-исток 4,5 В — при управлении от трёхвольтового логического уровня значение будет иным. Infineon IRLML6244 заявлен как 21 мОм максимум и 16 мОм типовое, YJ Electronic YJD45G10A в корпусе TO-252 — 21,5 мОм максимум при типовом 17 мОм.

• Расчёт потерь на проводимость. Берётся квадрат действующего тока, умноженный на сопротивление канала при рабочем напряжении затвора. Значение из описания относится к 25 °C — при нагреве кристалла сопротивление растёт, и в расчёт закладывается значение при рабочей температуре.
• Максимум против типового. Для теплового расчёта берётся максимальное значение, типовое годится только для оценки. Разница между 16 и 21 мОм у IRLML6244 — это треть потерь.
• Логический уровень управления. Исполнения серии IRLML и AO34xx открываются от 2,5–4,5 В и ставятся там, где драйвер отсутствует, а затвор управляется прямо от вывода контроллера. Транзистор, рассчитанный на 10 В на затворе, в такой схеме останется недооткрытым, и сопротивление окажется в разы выше расчётного.
• Параллельное включение. Снижает суммарное сопротивление, но суммирует заряды затворов и требует соответствующего драйвера, а также одинаковых условий охлаждения.

Заряд затвора и потери на переключении

Полный заряд затвора показывает, сколько нужно перенести, чтобы транзистор полностью открылся. Он задаёт и мощность драйвера, и длительность переходного процесса.

• Малый заряд. Infineon IRLML0030 и Hottech IRLML0040 — 2,6 нК, Infineon IRLML0060TR — 2,5 нК. Такие транзисторы переключаются от вывода контроллера без драйвера и пригодны для частот в десятки и сотни килогерц.
• Средний заряд. Infineon IRLML2244 — 6,9 нК при 4,5 В, Alpha & Omega AO3400A — 6–7 нК. Граница, после которой драйвер становится обязательным, зависит от частоты и от допустимого времени переключения.
• Большой заряд. Infineon IRFR5410 в корпусе DPak — 58 нК при 10 В на затворе. Это более чем двадцатикратная разница с IRLML0030: такому транзистору нужен драйвер с соответствующим импульсным током, иначе фронты растянутся и потери на переключении превысят выигрыш по сопротивлению.
• Ток драйвера. Считается как заряд затвора, делённый на требуемое время переключения. Отсюда выбираются микросхемы из раздела управление питанием, а при необходимости развязки затвора — оптопары.
• Заряд обратного восстановления встроенного диода. У AO3400A — 2,6 нК, у Texas Instruments CSD19532Q5B — 249 нК при времени обратного восстановления 80 нс. В полумостовой схеме этот заряд определяет потери и выброс на противоположном ключе.

Класс напряжения и достижимое сопротивление

Из таблицы видна основная закономерность: сопротивление в десятки миллиом встречается у исполнений до 100 В, а в высоковольтных классах нормируется не сопротивление, а допустимый ток. Поэтому запас по напряжению берётся осознанно: переход с 60 на 100 В при том же токе означает рост сопротивления канала и потерь.

Корпус и теплоотвод

• SOT-23 — корпус для сигнальных ключей и нагрузок до единиц ампер. Мощность рассеивания ограничена: у AO3400A она составляет 0,9 Вт, и это предел при хорошей площадке на плате.
• DPak и TO-252 — компромисс между поверхностным монтажом и теплоотводом через плату. Применяются там, где потери доходят до единиц ватт.
• VSON и PDFN с открытой подложкой — исполнения под плотный преобразователь. У CSD19532Q5B тепловое сопротивление переход-корпус 0,8 °C/Вт при переход-среда 50 °C/Вт: разница в шестьдесят раз показывает, что весь теплоотвод идёт через плату, а не через воздух.
• TO-220 и TO-247 — выводные корпуса под радиатор, для высоковольтных и сильноточных ключей.
• Температура перехода. У большинства исполнений максимум 150 °C, диапазон AO3400A заявлен как −55…+150 °C. Расчёт ведётся с запасом: рабочая температура перехода выбирается существенно ниже предельной, иначе ресурс изделия определяется не схемой, а тепловым режимом.

Что сверяется до закупки партии

• Полный артикул с суффиксом корпуса и упаковки — Si4628DY-T1-GE3 и Si2318CDS-T1-GE3 отличаются от базовой модели именно этой частью.
• Тип канала. N-канальные и P-канальные исполнения не взаимозаменяемы: Infineon IRLML2244 и IRFR9214TRPBF — P-канальные, AO3400A и FDS6690A — N-канальные.
• Напряжение затвор-исток, при котором нормировано сопротивление, и максимально допустимое напряжение на затворе.
• Энергия лавины для схем с индуктивной нагрузкой — у CSD19532Q5B она заявлена как 274 мДж для одиночного импульса.
• Исполнение по монтажу и покрытию выводов: позиции без свинца маркируются отдельно.
• Параметры сопутствующих элементов: дроссели под расчётный ток пульсаций, диоды в цепь, стабилитроны для защиты затвора.

Частые вопросы

Как выбрать между низким сопротивлением и малым зарядом затвора? По частоте коммутации. На низкой частоте и большом токе решают потери на проводимость, и берётся транзистор с минимальным сопротивлением. На высокой частоте потери на переключении начинают преобладать, и выигрывает исполнение с меньшим зарядом, даже при вдвое большем сопротивлении.

Можно ли поставить транзистор с большим допустимым напряжением вместо снятого? По напряжению это запас, но сопротивление канала в более высоком классе выше при том же корпусе. Замена проверяется тепловым расчётом, а не только сопоставлением предельных значений.

Нужен ли драйвер, если затвор управляется от контроллера? При заряде затвора в пределах нескольких нанокулонов и невысокой частоте — не нужен, именно под это сделаны исполнения с логическим уровнем. При заряде в десятки нанокулонов драйвер обязателен, иначе фронты растягиваются и ключ греется на переходах.

Чем отличаются исполнения одной модели у разных производителей? Совпадение артикула не означает совпадения параметров: у позиций вроде BSS138 и 2N7002K от разных изготовителей различаются нормы по сопротивлению, заряду и температурному диапазону. Сверка ведётся по описанию конкретной позиции.

Что прислать для подбора? Схему включения ключа, напряжение в цепи и действующий ток, частоту коммутации, напряжение управления на затворе, тип нагрузки, ограничения по корпусу и площади, условия охлаждения и программу выпуска.

Что мы делаем

По схеме и режиму считаем потери на проводимость и переключение, подбираем класс напряжения с осознанным запасом, сверяем сопротивление канала при фактическом напряжении управления, проверяем достаточность драйвера по заряду затвора и теплоотвода по корпусу, собираем комплект с драйверами, дросселями и защитой затвора. Разделы — полевые транзисторы MOSFET, DC/DC преобразователи, управление питанием.

Пришлите схему ключа с режимом работы на micro@tkasiatorg.ru — подберём транзистор по сопротивлению и заряду затвора и назовём сроки поставки партии.