تستخدم أجهزة أشباه موصلات الطاقة على نطاق واسع في الصناعة والاستهلاك والمجالات العسكرية وغيرها، وتتمتع بمكانة استراتيجية عالية. دعونا نلقي نظرة على الصورة العامة لأجهزة الطاقة من الصورة:
يمكن تقسيم أجهزة أشباه موصلات الطاقة إلى نوع كامل ونوع شبه متحكم فيه ونوع غير قابل للتحكم وفقًا لدرجة التحكم في إشارات الدائرة. أو وفقًا لخصائص الإشارة لدائرة القيادة، يمكن تقسيمها إلى نوع يحركه الجهد، ونوع يحركه التيار، وما إلى ذلك.
| تصنيف | يكتب | أجهزة أشباه موصلات الطاقة المحددة |
| إمكانية التحكم في الإشارات الكهربائية | نوع شبه متحكم فيه | SCR |
| السيطرة الكاملة | جي تي أو، جي تي آر، موسفيت، إيغبت | |
| لا يمكن السيطرة عليها | ديود الطاقة | |
| خصائص إشارة القيادة | نوع يحركه الجهد | IGBT، MOSFET، سيث |
| نوع مدفوعة الحالي | SCR، GTO، GTR | |
| شكل موجة إشارة فعالة | نوع الزناد النبضي | SCR،GTO |
| نوع التحكم الإلكتروني | جي تي آر، موسفيت، إيغبت | |
| المواقف التي تشارك فيها الإلكترونات الحاملة للتيار | جهاز ثنائي القطب | صمام ثنائي للطاقة، SCR، GTO، GTR، BSIT، BJT |
| جهاز أحادي القطب | موسفيت، الجلوس | |
| جهاز مركب | MCT، IGBT، SITH وIGCT |
تتميز أجهزة أشباه موصلات الطاقة المختلفة بخصائص مختلفة مثل الجهد الكهربي والسعة الحالية وقدرة المعاوقة والحجم. في الاستخدام الفعلي، يجب اختيار الأجهزة المناسبة وفقًا للمجالات والاحتياجات المختلفة.
لقد مرت صناعة أشباه الموصلات بثلاثة أجيال من التغيرات المادية منذ ولادتها. حتى الآن، لا تزال أول مادة شبه موصلة ممثلة بـ Si تستخدم بشكل رئيسي في مجال أجهزة أشباه موصلات الطاقة.
| مادة أشباه الموصلات | فجوة الحزمة (فولت) | نقطة الانصهار (ك) | التطبيق الرئيسي | |
| مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول | Ge | 1.1 | 1221 | الجهد المنخفض، التردد المنخفض، الترانزستورات متوسطة الطاقة، أجهزة الكشف الضوئي |
| مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني | Si | 0.7 | 1687 | |
| مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث | GaAs | 1.4 | 1511 | الميكروويف، أجهزة الموجات المليمترية، الأجهزة الباعثة للضوء |
| كربيد كربيد | 3.05 | 2826 | 1. الأجهزة عالية الطاقة ذات درجة الحرارة العالية والتردد العالي والمقاومة للإشعاع 2. الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق والصف والبنفسجي وأشعة الليزر شبه الموصلة | |
| الجاليوم | 3.4 | 1973 | ||
| عين | 6.2 | 2470 | ||
| C | 5.5 | >3800 | ||
| أكسيد الزنك | 3.37 | 2248 | ||
تلخيص خصائص أجهزة الطاقة شبه الخاضعة للتحكم والتي يتم التحكم فيها بالكامل:
| نوع الجهاز | SCR | جي تي آر | موسفيت | IGBT |
| نوع التحكم | مشغل النبض | السيطرة الحالية | التحكم في الجهد | مركز الفيلم |
| خط الإغلاق الذاتي | إيقاف التبديل | جهاز الاغلاق الذاتي | جهاز الاغلاق الذاتي | جهاز الاغلاق الذاتي |
| تردد العمل | <1 كيلو هرتز | أقل من 30 كيلو هرتز | 20 كيلو هرتز- ميجا هرتز | أقل من 40 كيلو هرتز |
| قوة القيادة | صغير | كبير | صغير | صغير |
| تبديل الخسائر | كبير | كبير | كبير | كبير |
| فقدان التوصيل | صغير | صغير | كبير | صغير |
| الجهد والمستوى الحالي | جديد | كبير | الحد الأدنى | أكثر |
| التطبيقات النموذجية | التدفئة الحثية ذات التردد المتوسط | محول تردد UPS | تبديل إمدادات الطاقة | محول تردد UPS |
| سعر | أدنى | أدنى | في المنتصف | أغلى |
| تأثير تعديل التوصيل | يملك | يملك | لا أحد | يملك |
تعرف على دوائر MOSFET
تتمتع MOSFET بمقاومة دخل عالية، وضوضاء منخفضة، واستقرار حراري جيد؛ وله عملية تصنيع بسيطة وإشعاع قوي، لذلك يستخدم عادة في دوائر مكبر الصوت أو دوائر التبديل؛
(1) معلمات الاختيار الرئيسية: جهد مصدر التصريف VDS (تحمل الجهد)، معرف تيار التسرب المستمر، مقاومة RDS (on)، سعة إدخال Ciss (سعة الوصلة)، عامل الجودة FOM=Ron*Qg، إلخ.
(2) وفقًا للعمليات المختلفة، يتم تقسيمها إلى TrenchMOS: خندق MOSFET، بشكل رئيسي في مجال الجهد المنخفض ضمن 100 فولت؛ SGT (بوابة مقسمة) MOSFET: MOSFET بوابة مقسمة، بشكل رئيسي في مجال الجهد المتوسط والمنخفض ضمن 200 فولت؛ SJ MOSFET: MOSFET فائق التوصيل، بشكل رئيسي في مجال الجهد العالي 600-800 فولت؛
في مصدر طاقة التبديل، مثل دائرة الصرف المفتوح، يتم توصيل الصرف بالحمل السليم، وهو ما يسمى الصرف المفتوح. في دائرة التصريف المفتوح، بغض النظر عن مدى ارتفاع الجهد الكهربي المتصل بالحمل، يمكن تشغيل وإيقاف تيار الحمل. إنه جهاز تحويل تناظري مثالي. هذا هو مبدأ MOSFET كجهاز تبديل.
ومن حيث الحصة السوقية، فإن الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) تتركز تقريبًا في أيدي الشركات المصنعة العالمية الكبرى. من بينها، استحوذت شركة Infineon على شركة IR (American International Rectifier Company) في عام 2015 وأصبحت الشركة الرائدة في الصناعة. أكملت شركة ON Semiconductor أيضًا الاستحواذ على شركة Fairchild Semiconductor في سبتمبر 2016. وقفزت حصة السوق إلى المركز الثاني، ثم كانت تصنيفات المبيعات هي Renesas، وToshiba، وIWC، وST، وVishay، وAnshi، وMagna، وما إلى ذلك؛
تنقسم العلامات التجارية السائدة لـ MOSFET إلى عدة سلاسل: الأمريكية واليابانية والكورية.
السلسلة الأمريكية: Infineon، IR، Fairchild، ON Semiconductor، ST، TI، PI، AOS، وما إلى ذلك؛
اليابانية: توشيبا، رينيساس، ROHM، وما إلى ذلك؛
المسلسلات الكورية: Magna، KEC، AUK، Morina Hiroshi، Shinan، KIA
فئات حزمة MOSFET
وفقًا لطريقة تثبيته على لوحة PCB، هناك نوعان رئيسيان من حزم MOSFET: المكونات الإضافية (من خلال الفتحة) والتركيب السطحي (التركيب السطحي).
يعني نوع المكون الإضافي أن دبابيس MOSFET تمر عبر فتحات التثبيت في لوحة PCB ويتم لحامها في لوحة PCB. تتضمن حزم المكونات الإضافية الشائعة ما يلي: الحزمة المزدوجة المضمنة (DIP)، وحزمة مخطط الترانزستور (TO)، وحزمة مصفوفة الشبكة الدبوسية (PGA).
التعبئة والتغليف المكونات في
يتم التثبيت على السطح حيث يتم لحام دبابيس MOSFET وشفة تبديد الحرارة بالوسادات الموجودة على سطح لوحة PCB. تشتمل حزم التركيب السطحية النموذجية على: مخطط الترانزستور (D-PAK)، وترانزستور المخطط التفصيلي الصغير (SOT)، وحزمة المخطط التفصيلي الصغيرة (SOP)، والحزمة المسطحة الرباعية (QFP)، وحامل الرقائق البلاستيكية المحتوي على الرصاص (PLCC)، وما إلى ذلك.
حزمة تثبيت السطح
مع تطور التكنولوجيا، تستخدم لوحات PCB مثل اللوحات الأم وبطاقات الرسومات حاليًا عبوات إضافية أقل مباشرة، ويتم استخدام المزيد من العبوات المثبتة على السطح.
1. الحزمة المزدوجة المضمنة (DIP)
تحتوي حزمة DIP على صفين من المسامير ويجب إدخالها في مقبس شريحة ذي بنية DIP. طريقة اشتقاقها هي SDIP (Shrink DIP)، وهي عبارة عن حزمة متقلصة مزدوجة الخط. كثافة الدبوس أعلى 6 مرات من كثافة DIP.
تشتمل أشكال هيكل التغليف DIP على ما يلي: DIP متعدد الطبقات من السيراميك ثنائي الخط، DIP من السيراميك أحادي الطبقة ثنائي الخط، إطار DIP من الرصاص (بما في ذلك نوع الختم الزجاجي والسيراميك، ونوع هيكل التغليف البلاستيكي، وتغليف الزجاج الخزفي منخفض الذوبان النوع) وما إلى ذلك. إن ما يميز عبوة DIP هو أنه يمكنها بسهولة تحقيق اللحام من خلال الفتحات لألواح PCB ولديها توافق جيد مع اللوحة الأم.
ومع ذلك، نظرًا لأن مساحة التعبئة والتغليف وسمكها كبيران نسبيًا، كما أن المسامير تتلف بسهولة أثناء عملية التوصيل والفصل، فإن الموثوقية ضعيفة. في الوقت نفسه، بسبب تأثير العملية، لا يتجاوز عدد الدبابيس بشكل عام 100. لذلك، في عملية التكامل العالي للصناعة الإلكترونية، انسحبت عبوات DIP تدريجياً من مرحلة التاريخ.
2. حزمة مخطط الترانزستور (TO)
مواصفات التعبئة والتغليف المبكرة، مثل TO-3P، TO-247، TO-92، TO-92L، TO-220، TO-220F، TO-251، وما إلى ذلك كلها تصميمات تغليف إضافية.
TO-3P/247: إنه نموذج تعبئة شائع الاستخدام لوحدات MOSFET ذات الجهد المتوسط العالي والتيار العالي. يتميز المنتج بخصائص الجهد العالي التحمل ومقاومة الانهيار القوية.
TO-220/220F: TO-220F عبارة عن عبوة بلاستيكية بالكامل، وليست هناك حاجة لإضافة وسادة عازلة عند تثبيتها على الرادياتير؛ يحتوي TO-220 على لوح معدني متصل بالدبوس الأوسط، ويلزم وجود وسادة عازلة عند تركيب الرادياتير. تتميز الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) لهذين النمطين من الحزم بمظهر مماثل ويمكن استخدامها بالتبادل.
TO-251: يستخدم هذا المنتج المعبأ بشكل أساسي لتقليل التكاليف وتقليل حجم المنتج. يتم استخدامه بشكل رئيسي في البيئات ذات الجهد المتوسط والتيار العالي أقل من 60A والجهد العالي أقل من 7N.
TO-92: تُستخدم هذه الحزمة فقط مع MOSFET ذات الجهد المنخفض (التيار أقل من 10 أمبير، تحمل الجهد أقل من 60 فولت) والجهد العالي 1N60/65، من أجل تقليل التكاليف.
في السنوات الأخيرة، نظرًا لارتفاع تكلفة اللحام لعملية تعبئة المكونات الإضافية وأداء تبديد الحرارة المنخفض للمنتجات من النوع التصحيحي، استمر الطلب في سوق التركيب السطحي في الزيادة، مما أدى أيضًا إلى تطوير التعبئة والتغليف TO في عبوة مثبتة على السطح.
TO-252 (وتسمى أيضًا D-PAK) وTO-263 (D2PAK) كلاهما حزمتان مثبتتان على السطح.
لتغليف مظهر المنتج
TO252/D-PAK عبارة عن حزمة شرائح بلاستيكية، تُستخدم بشكل شائع لتعبئة ترانزستورات الطاقة ورقائق تثبيت الجهد. إنها واحدة من الحزم السائدة الحالية. يحتوي MOSFET الذي يستخدم طريقة التغليف هذه على ثلاثة أقطاب كهربائية، البوابة (G)، والصرف (D)، والمصدر (S). تم قطع دبوس التصريف (D) وعدم استخدامه. بدلاً من ذلك، يتم استخدام المشتت الحراري الموجود في الخلف كمصرف (D)، والذي يتم لحامه مباشرة بلوحة PCB. من ناحية، يتم استخدامه لإخراج تيارات كبيرة، ومن ناحية أخرى، فإنه يبدد الحرارة من خلال ثنائي الفينيل متعدد الكلور. لذلك، هناك ثلاث منصات D-PAK على PCB، ولوحة التصريف (D) أكبر. مواصفات التعبئة والتغليف الخاصة به هي كما يلي:
مواصفات حجم العبوة TO-252/D-PAK
TO-263 هو البديل من TO-220. إنه مصمم بشكل أساسي لتحسين كفاءة الإنتاج وتبديد الحرارة. وهو يدعم التيار والجهد العالي للغاية. وهو أكثر شيوعًا في دوائر MOSFET ذات الجهد المتوسط والتيار العالي التي تقل عن 150 أمبير وما فوق 30 فولت. بالإضافة إلى D2PAK (TO-263AB)، فهو يتضمن أيضًا TO263-2، TO263-3، TO263-5، TO263-7 وأنماط أخرى تابعة لـ TO-263، ويرجع ذلك أساسًا إلى اختلاف عدد المسامير ومسافاتها .
مواصفات حجم الحزمة TO-263/D2PAKs
3. حزمة مصفوفة الشبكة الدبوسية (PGA)
توجد عدة دبابيس مصفوفة مربعة داخل وخارج شريحة PGA (حزمة مصفوفة الشبكة). يتم ترتيب كل طرف مصفوفة مربعة على مسافة معينة حول الشريحة. اعتمادًا على عدد الدبابيس، يمكن تشكيلها إلى 2 إلى 5 دوائر. أثناء التثبيت، ما عليك سوى إدخال الشريحة في مقبس PGA الخاص. إنه يتميز بسهولة التوصيل والفصل والموثوقية العالية، ويمكنه التكيف مع الترددات العالية.
نمط حزمة PGA
معظم ركائز الرقائق مصنوعة من مادة السيراميك، وبعضها يستخدم راتنجات بلاستيكية خاصة كركيزة. من حيث التكنولوجيا، عادة ما تكون مسافة مركز الدبوس 2.54 مم، ويتراوح عدد المسامير من 64 إلى 447. ما يميز هذا النوع من التغليف هو أنه كلما كانت مساحة التغليف (الحجم) أصغر، انخفض استهلاك الطاقة (الأداء). ) يمكنه الصمود، والعكس صحيح. كان أسلوب تعبئة الرقائق هذا أكثر شيوعًا في الأيام الأولى، وكان يستخدم في الغالب لتعبئة المنتجات ذات الاستهلاك العالي للطاقة مثل وحدات المعالجة المركزية (CPUs). على سبيل المثال، يستخدم كل من Intel 80486 وPentium أسلوب التغليف هذا؛ لم يتم اعتماده على نطاق واسع من قبل الشركات المصنعة لـ MOSFET.
4. حزمة الترانزستور الصغيرة (SOT)
SOT (الترانزستور الصغير خارج الخط) عبارة عن حزمة ترانزستور طاقة صغيرة من نوع التصحيح، بما في ذلك SOT23 وSOT89 وSOT143 وSOT25 (أي SOT23-5)، وما إلى ذلك. SOT323 وSOT363/SOT26 (أي SOT23-6) والأنواع الأخرى هي مشتقة، وهي أصغر حجمًا من حزم TO.
نوع الحزمة SOT
SOT23 عبارة عن حزمة ترانزستور شائعة الاستخدام تحتوي على ثلاثة دبابيس على شكل جناح، وهي المجمع والباعث والقاعدة، وهي مدرجة على جانبي الجانب الطويل للمكون. من بينها، الباعث والقاعدة على نفس الجانب. وهي شائعة في الترانزستورات منخفضة الطاقة والترانزستورات ذات التأثير الميداني والترانزستورات المركبة ذات شبكات المقاوم. لديهم قوة جيدة ولكن قابلية اللحام ضعيفة. ويظهر المظهر في الشكل (أ) أدناه.
يحتوي SOT89 على ثلاثة أطراف قصيرة موزعة على جانب واحد من الترانزستور. والجانب الآخر عبارة عن مشتت حراري معدني متصل بالقاعدة لزيادة قدرة تبديد الحرارة. إنه شائع في الترانزستورات المثبتة على سطح طاقة السيليكون ومناسب لتطبيقات الطاقة الأعلى. ويظهر المظهر في الشكل (ب) أدناه.
يحتوي SOT143 على أربعة دبابيس قصيرة على شكل جناح، يتم إخراجها من كلا الجانبين. الطرف الأوسع للدبوس هو المجمع. وهذا النوع من الحزم شائع في الترانزستورات عالية التردد، ويظهر مظهره في الشكل (ج) أدناه.
SOT252 عبارة عن ترانزستور عالي الطاقة بثلاثة أطراف تؤدي من جانب واحد، والدبوس الأوسط أقصر وهو المجمع. قم بتوصيله بالدبوس الأكبر في الطرف الآخر، وهو عبارة عن لوح نحاسي لتبديد الحرارة، ويكون مظهره كما هو موضح في الشكل (د) أدناه.
مقارنة مظهر حزمة SOT الشائعة
يتم استخدام SOT-89 MOSFET ذو الأربع محطات بشكل شائع في اللوحات الأم. مواصفاتها وأبعادها هي كما يلي:
مواصفات حجم SOT-89 MOSFET (الوحدة: مم)
5. حزمة المخطط التفصيلي الصغيرة (SOP)
SOP (حزمة صغيرة خارج الخط) هي إحدى حزم التثبيت على السطح، وتسمى أيضًا SOL أو DFP. يتم سحب الدبابيس من جانبي العبوة على شكل جناح النورس (شكل L). المواد من البلاستيك والسيراميك. تتضمن معايير التعبئة والتغليف SOP SOP-8، وSOP-16، وSOP-20، وSOP-28، وما إلى ذلك. يشير الرقم بعد SOP إلى عدد المسامير. تعتمد معظم حزم MOSFET SOP مواصفات SOP-8. غالبًا ما تحذف الصناعة الحرف "P" وتختصره على أنه SO (Small Out-Line).
حجم الحزمة SOP-8
تم تطوير SO-8 لأول مرة بواسطة شركة PHILIP. يتم تعبئتها بالبلاستيك، ولا تحتوي على لوحة سفلية لتبديد الحرارة، وتبديد الحرارة ضعيف. يتم استخدامه بشكل عام في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFETs). في وقت لاحق، تم اشتقاق المواصفات القياسية مثل TSOP (حزمة المخطط التفصيلي الرقيق الصغير)، VSOP (حزمة المخطط التفصيلي الصغير جدًا)، SSOP (Shrink SOP)، TSSOP (Thin Shrink SOP)، وما إلى ذلك؛ من بينها، يتم استخدام TSOP وTSSOP بشكل شائع في عبوات MOSFET.
المواصفات المشتقة من SOP شائعة الاستخدام في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET).
6. الحزمة المسطحة الرباعية (QFP)
المسافة بين دبابيس الرقاقة في حزمة QFP (الحزمة البلاستيكية الرباعية المسطحة) صغيرة جدًا والدبابيس رفيعة جدًا. يتم استخدامه بشكل عام في الدوائر المتكاملة كبيرة الحجم أو كبيرة جدًا، ويكون عدد المسامير بشكل عام أكثر من 100. يجب أن تستخدم الرقائق المعبأة في هذا النموذج تقنية التركيب السطحي SMT لحام الشريحة باللوحة الأم. تتميز طريقة التغليف هذه بأربع خصائص رئيسية: ① إنها مناسبة لتقنية التركيب السطحي SMD لتثبيت الأسلاك على لوحات دوائر PCB؛ ② إنها مناسبة للاستخدام عالي التردد. ③ إنه سهل التشغيل ويتمتع بموثوقية عالية. ④ النسبة بين منطقة الرقاقة ومنطقة التغليف صغيرة. مثل طريقة التغليف PGA، تقوم طريقة التغليف هذه بتغليف الشريحة في عبوة بلاستيكية ولا يمكنها تبديد الحرارة المتولدة عندما تعمل الشريحة في الوقت المناسب. أنه يحد من تحسين أداء MOSFET؛ كما أن العبوة البلاستيكية نفسها تزيد من حجم الجهاز، وهو ما لا يلبي متطلبات تطوير أشباه الموصلات في اتجاه كونها خفيفة ورقيقة وقصيرة وصغيرة الحجم. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد هذا النوع من طرق التعبئة والتغليف على شريحة واحدة، والتي تعاني من مشاكل انخفاض كفاءة الإنتاج وتكلفة التعبئة العالية. لذلك، يعد QFP أكثر ملاءمة للاستخدام في دوائر LSI المنطقية الرقمية مثل المعالجات الدقيقة/مصفوفات البوابة، كما أنه مناسب أيضًا لتعبئة منتجات دوائر LSI التناظرية مثل معالجة إشارات VTR ومعالجة الإشارات الصوتية.
7、حزمة مسطحة رباعية بدون خيوط (QFN)
تم تجهيز حزمة QFN (الحزمة الرباعية المسطحة غير الرصاصية) بملامسات قطب كهربائي على الجوانب الأربعة. نظرًا لعدم وجود خيوط توصيل، تكون منطقة التركيب أصغر من QFP والارتفاع أقل من QFP. من بينها، يُطلق على QFN الخزفي أيضًا اسم LCC (حاملات الرقائق الخالية من الرصاص)، ويسمى QFN البلاستيكي منخفض التكلفة الذي يستخدم مادة أساسية مطبوعة من راتنجات الإيبوكسي الزجاجية بالبلاستيك LCC، وPCLC، وP-LCC، وما إلى ذلك. وهو عبارة عن عبوة شرائح ناشئة مثبتة على السطح التكنولوجيا ذات حجم الوسادة الصغيرة والحجم الصغير والبلاستيك كمواد مانعة للتسرب. يتم استخدام QFN بشكل أساسي لتغليف الدوائر المتكاملة، ولن يتم استخدام MOSFET. ومع ذلك، نظرًا لأن إنتل اقترحت برنامج تشغيل متكامل وحل MOSFET، فقد أطلقت DrMOS في حزمة QFN-56 (يشير "56" إلى دبابيس الاتصال الـ 56 الموجودة في الجزء الخلفي من الشريحة).
تجدر الإشارة إلى أن حزمة QFN لها نفس تكوين الرصاص الخارجي مثل حزمة الخطوط العريضة الصغيرة فائقة الرقة (TSSOP)، ولكن حجمها أصغر بنسبة 62% من TSSOP. وفقًا لبيانات نمذجة QFN، فإن أدائها الحراري أعلى بنسبة 55% من عبوات TSSOP، وأدائها الكهربائي (الحث والسعة) أعلى بنسبة 60% و30% من عبوات TSSOP على التوالي. العيب الأكبر هو أنه من الصعب إصلاحه.
DrMOS في حزمة QFN-56
لا يمكن لإمدادات الطاقة التقليدية المنفصلة DC/DC أن تلبي متطلبات كثافة الطاقة الأعلى، ولا يمكنها حل مشكلة تأثيرات المعلمات الطفيلية عند ترددات التبديل العالية. مع الابتكار والتقدم التكنولوجي، أصبح دمج برامج التشغيل ودوائر MOSFET لإنشاء وحدات متعددة الشرائح حقيقة واقعة. يمكن لطريقة التكامل هذه توفير مساحة كبيرة وزيادة كثافة استهلاك الطاقة. ومن خلال تحسين برامج التشغيل ودوائر MOSFET، أصبح ذلك حقيقة واقعة. كفاءة الطاقة وتيار تيار مستمر عالي الجودة، هذا هو محرك DrMOS المدمج IC.
رينيساس الجيل الثاني DrMOS
إن الحزمة QFN-56 الخالية من الرصاص تجعل المعاوقة الحرارية لـ DrMOS منخفضة جدًا؛ مع ربط الأسلاك الداخلية وتصميم المشبك النحاسي، يمكن تقليل أسلاك PCB الخارجية، وبالتالي تقليل الحث والمقاومة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لعملية MOSFET السيليكونية ذات القناة العميقة المستخدمة أيضًا أن تقلل بشكل كبير من خسائر التوصيل والتحويل وشحن البوابة؛ وهو متوافق مع مجموعة متنوعة من وحدات التحكم، ويمكنه تحقيق أوضاع تشغيل مختلفة، ويدعم وضع تحويل الطور النشط APS (تبديل الطور التلقائي). بالإضافة إلى التعبئة والتغليف QFN، تعد التعبئة المسطحة الثنائية الخالية من الرصاص (DFN) أيضًا عملية تعبئة إلكترونية جديدة تم استخدامها على نطاق واسع في مكونات مختلفة لأشباه الموصلات ON. بالمقارنة مع QFN، يحتوي DFN على عدد أقل من أقطاب الرصاص على كلا الجانبين.
8 、 حامل الرقائق البلاستيكية المحتوي على الرصاص (PLCC)
PLCC (الحزمة البلاستيكية الرباعية المسطحة) لها شكل مربع وأصغر بكثير من الحزمة DIP. لديها 32 دبابيس مع دبابيس في كل مكان. يتم إخراج المسامير من الجوانب الأربعة للعبوة على شكل حرف T. إنه منتج بلاستيكي. تبلغ مسافة مركز الدبوس 1.27 مم، ويتراوح عدد المسامير من 18 إلى 84. لا تتشوه المسامير على شكل J بسهولة، كما أنها أسهل في التشغيل من QFP، لكن فحص المظهر بعد اللحام أكثر صعوبة. تعتبر عبوات PLCC مناسبة لتثبيت الأسلاك على PCB باستخدام تقنية التركيب السطحي SMT. لديها مزايا الحجم الصغير والموثوقية العالية. يعد تغليف PLCC شائعًا نسبيًا ويستخدم في LSI المنطقي أو DLD (أو جهاز منطق البرنامج) والدوائر الأخرى. غالبًا ما يتم استخدام نموذج التغليف هذا في نظام BIOS الخاص باللوحة الأم، ولكنه حاليًا أقل شيوعًا في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET).
التغليف والتحسين للمؤسسات السائدة
نظرًا لاتجاه تطوير الجهد المنخفض والتيار العالي في وحدات المعالجة المركزية، يلزم أن يكون لدى الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) تيار خرج كبير، ومقاومة منخفضة، وتوليد حرارة منخفض، وتبديد سريع للحرارة، وصغر الحجم. بالإضافة إلى تحسين تكنولوجيا وعمليات إنتاج الرقائق، يواصل مصنعو MOSFET أيضًا تحسين تكنولوجيا التعبئة والتغليف. وعلى أساس التوافق مع مواصفات المظهر القياسية، يقترحون أشكال تعبئة جديدة ويسجلون أسماء العلامات التجارية للعبوات الجديدة التي يقومون بتطويرها.
1، حزم RENESAS WPAK وLFPAK وLFPAK-I
WPAK عبارة عن حزمة إشعاع حراري عالي تم تطويرها بواسطة Renesas. من خلال تقليد حزمة D-PAK، يتم لحام المشتت الحراري للرقاقة باللوحة الأم، ويتم تبديد الحرارة من خلال اللوحة الأم، بحيث يمكن لحزمة WPAK الصغيرة أيضًا الوصول إلى تيار الإخراج لـ D-PAK. يحتوي WPAK-D2 على وحدتي MOSFET عالية/منخفضة لتقليل محاثة الأسلاك.
حجم حزمة Renesas WPAK
LFPAK وLFPAK-I هما حزمتان صغيرتان أخريان تم تطويرهما بواسطة Renesas وهما متوافقان مع SO-8. يشبه LFPAK D-PAK، ولكنه أصغر من D-PAK. يقوم LFPAK-i بوضع المشتت الحراري لأعلى لتبديد الحرارة من خلال المشتت الحراري.
حزم Renesas LFPAK وLFPAK-I
2. التعبئة والتغليف Vishay Power-PAK وPolar-PAK
Power-PAK هو اسم حزمة MOSFET المسجلة بواسطة شركة Vishay Corporation. يتضمن Power-PAK مواصفتين: Power-PAK1212-8 وPower-PAK SO-8.
حزمة Vishay Power-PAK1212-8
حزمة Vishay Power-PAK SO-8
Polar PAK عبارة عن حزمة صغيرة ذات تبديد للحرارة على الوجهين وهي إحدى تقنيات التعبئة الأساسية لشركة Vishay. Polar PAK هي نفس الحزمة العادية so-8. لديها نقاط تبديد على كلا الجانبين العلوي والسفلي من العبوة. ليس من السهل تراكم الحرارة داخل العبوة ويمكن أن تزيد الكثافة الحالية لتيار التشغيل إلى ضعف كثافة SO-8. حاليًا، قامت Vishay بترخيص تقنية Polar PAK لشركة STMicroelectronics.
حزمة فيشاي بولار باك
3. عبوات الرصاص المسطحة Onsemi SO-8 وWDFN8
قامت شركة ON Semiconductor بتطوير نوعين من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات الرصاص المسطح، من بينها تلك ذات الرصاص المسطح المتوافقة مع SO-8 والتي تستخدم في العديد من اللوحات. تستخدم وحدات NVMx وNVTx power MOSFET التي تم إطلاقها حديثًا من ON Semiconductor حزم DFN5 (SO-8FL) وWDFN8 المدمجة لتقليل خسائر التوصيل. كما أنها تتميز بـ QG وسعة منخفضة لتقليل خسائر السائق.
على حزمة الرصاص المسطحة لأشباه الموصلات SO-8
على حزمة أشباه الموصلات WDFN8
4. تغليف NXP LFPAK وQLPAK
قامت شركة NXP (Philps سابقًا) بتحسين تقنية التعبئة والتغليف SO-8 إلى LFPAK وQLPAK. من بينها، تعتبر LFPAK حزمة الطاقة SO-8 الأكثر موثوقية في العالم؛ بينما يتميز QLPAK بخصائص الحجم الصغير وكفاءة أعلى في تبديد الحرارة. بالمقارنة مع SO-8 العادي، QLPAK يحتل مساحة لوحة PCB بمساحة 6*5mm ولديه مقاومة حرارية تبلغ 1.5k/W.
حزمة NXP LFPAK
تغليف NXP QLPAK
4. حزمة ST أشباه الموصلات PowerSO-8
تتضمن تقنيات تعبئة شرائح الطاقة MOSFET الخاصة بشركة STMicroelectronics SO-8، وPowerSO-8، وPowerFLAT، وDirectFET، وPolarPAK، وما إلى ذلك. ومن بينها، يعد Power SO-8 نسخة محسنة من SO-8. بالإضافة إلى ذلك، هناك PowerSO-10 وPowerSO-20 وTO-220FP وH2PAK-2 وحزم أخرى.
حزمة STMicroelectronics Power SO-8
5. حزمة فيرتشايلد لأشباه الموصلات Power 56
Power 56 هو الاسم الحصري لشركة Farichild، واسمها الرسمي هو DFN5×6. مساحة التغليف الخاصة بها مماثلة لتلك الموجودة في TSOP-8 شائعة الاستخدام، كما توفر العبوة الرفيعة ارتفاع خلوص المكونات، كما يقلل تصميم الوسادة الحرارية في الأسفل من المقاومة الحرارية. لذلك، قامت العديد من الشركات المصنعة لأجهزة الطاقة بنشر DFN5×6.
حزمة فيرتشايلد باور 56
6. حزمة FET المباشرة للمقوم الدولي (IR).
يوفر Direct FET تبريدًا علويًا فعالاً في مساحة SO-8 أو أصغر وهو مناسب لتطبيقات تحويل الطاقة AC-DC وDC-DC في أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الاتصالات والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. يوفر هيكل العلبة المعدنية الخاص بـ DirectFET تبديدًا للحرارة على الوجهين، مما يضاعف بشكل فعال قدرات المعالجة الحالية لمحولات باك DC-DC عالية التردد مقارنة بالعبوات البلاستيكية المنفصلة القياسية. حزمة Direct FET هي من النوع الذي يتم تركيبه بشكل عكسي، حيث يكون المشتت الحراري للصرف (D) متجهًا للأعلى ومغطى بقشرة معدنية، يتم من خلالها تبديد الحرارة. تعمل عبوة Direct FET على تحسين تبديد الحرارة بشكل كبير وتشغل مساحة أقل مع تبديد جيد للحرارة.
تلخيص
في المستقبل، مع استمرار تطور صناعة التصنيع الإلكترونية في اتجاه الرقة الفائقة والتصغير والجهد المنخفض والتيار العالي، سيتغير المظهر وهيكل التغليف الداخلي لـ MOSFET أيضًا للتكيف بشكل أفضل مع احتياجات التطوير للتصنيع صناعة. بالإضافة إلى ذلك، من أجل خفض عتبة الاختيار لمصنعي الأجهزة الإلكترونية، سيصبح اتجاه تطوير MOSFET في اتجاه الوحدات النمطية والتعبئة على مستوى النظام واضحًا بشكل متزايد، وسيتم تطوير المنتجات بطريقة منسقة من أبعاد متعددة مثل الأداء والتكلفة . تعد الحزمة أحد العوامل المرجعية المهمة لاختيار MOSFET. تحتوي المنتجات الإلكترونية المختلفة على متطلبات كهربائية مختلفة، وتتطلب بيئات التثبيت المختلفة أيضًا مواصفات حجم متطابقة للوفاء بها. في الاختيار الفعلي، يجب اتخاذ القرار وفقًا للاحتياجات الفعلية بموجب المبدأ العام. بعض الأنظمة الإلكترونية محدودة بحجم PCB والارتفاع الداخلي. على سبيل المثال، عادةً ما تستخدم وحدات إمداد الطاقة لأنظمة الاتصالات حزم DFN5*6 وDFN3*3 بسبب قيود الارتفاع؛ في بعض مصادر طاقة ACDC، تكون التصميمات فائقة النحافة أو بسبب قيود الغلاف مناسبة لتجميع وحدات MOSFET ذات الطاقة المعبأة TO220. في هذا الوقت، يمكن إدخال الدبابيس مباشرة في الجذر، وهو غير مناسب للمنتجات المعبأة TO247؛ تتطلب بعض التصميمات فائقة النحافة ثني أطراف الجهاز ووضعها بشكل مسطح، مما يزيد من تعقيد اختيار MOSFET.
كيفية اختيار MOSFET
أخبرني أحد المهندسين ذات مرة أنه لم ينظر مطلقًا إلى الصفحة الأولى من ورقة بيانات MOSFET لأن المعلومات "العملية" ظهرت فقط في الصفحة الثانية وما بعدها. تحتوي كل صفحة تقريبًا في ورقة بيانات MOSFET على معلومات قيمة للمصممين. ولكن ليس من الواضح دائمًا كيفية تفسير البيانات المقدمة من الشركات المصنعة.
توضح هذه المقالة بعض المواصفات الرئيسية للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET)، وكيفية ذكرها في ورقة البيانات، والصورة الواضحة التي تحتاج إلى فهمها. مثل معظم الأجهزة الإلكترونية، تتأثر الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بدرجة حرارة التشغيل. لذا من المهم فهم شروط الاختبار التي يتم بموجبها تطبيق المؤشرات المذكورة. من المهم أيضًا فهم ما إذا كانت المؤشرات التي تراها في "مقدمة المنتج" هي قيم "قصوى" أو "نموذجية"، لأن بعض أوراق البيانات لا توضح ذلك.
درجة الجهد
السمة الأساسية التي تحدد MOSFET هي جهد مصدر الصرف VDS، أو "جهد انهيار مصدر الصرف"، وهو أعلى جهد يمكن أن يتحمله MOSFET دون ضرر عندما تكون البوابة قصيرة الدائرة إلى المصدر وتيار الصرف هو 250μA. . يُطلق على VDS أيضًا اسم "الجهد الأقصى المطلق عند 25 درجة مئوية"، ولكن من المهم أن نتذكر أن هذا الجهد المطلق يعتمد على درجة الحرارة، وعادةً ما يكون هناك "معامل درجة حرارة VDS" في ورقة البيانات. تحتاج أيضًا إلى فهم أن الحد الأقصى لـ VDS هو جهد التيار المستمر بالإضافة إلى أي ارتفاعات وتموجات في الجهد قد تكون موجودة في الدائرة. على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم جهاز 30 فولت على مصدر طاقة 30 فولت مع ارتفاع 100 مللي فولت، 5 ns، فإن الجهد الكهربي سيتجاوز الحد الأقصى المطلق للجهاز وقد يدخل الجهاز في وضع الانهيار الجليدي. في هذه الحالة، لا يمكن ضمان موثوقية MOSFET. في درجات الحرارة المرتفعة، يمكن لمعامل درجة الحرارة أن يغير جهد الانهيار بشكل كبير. على سبيل المثال، بعض الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة ذات القناة N ذات معدل جهد 600 فولت لها معامل درجة حرارة موجب. عندما تقترب من الحد الأقصى لدرجة حرارة الوصلة، فإن معامل درجة الحرارة يجعل هذه الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة تتصرف مثل الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة 650 فولت. تتطلب العديد من قواعد تصميم مستخدمي MOSFET عامل تخفيض يتراوح من 10% إلى 20%. في بعض التصميمات، مع الأخذ في الاعتبار أن جهد الانهيار الفعلي أعلى بنسبة 5% إلى 10% من القيمة المقدرة عند 25 درجة مئوية، سيتم إضافة هامش تصميم مفيد مناظر إلى التصميم الفعلي، وهو أمر مفيد جدًا للتصميم. من المهم بنفس القدر للاختيار الصحيح للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) فهم دور جهد مصدر البوابة VGS أثناء عملية التوصيل. هذا الجهد هو الجهد الذي يضمن التوصيل الكامل لـ MOSFET في ظل حالة RDS (on) القصوى المحددة. هذا هو السبب في أن مقاومة التشغيل ترتبط دائمًا بمستوى VGS، وعند هذا الجهد فقط يمكن تشغيل الجهاز. إحدى نتائج التصميم المهمة هي أنه لا يمكنك تشغيل MOSFET بالكامل بجهد أقل من الحد الأدنى من VGS المستخدم لتحقيق تصنيف RDS (on). على سبيل المثال، لتشغيل MOSFET بالكامل باستخدام متحكم دقيق 3.3V، يجب أن تكون قادرًا على تشغيل MOSFET عند VGS=2.5V أو أقل.
المقاومة، وشحنة البوابة، و"رقم الجدارة"
يتم دائمًا تحديد مقاومة MOSFET عند واحد أو أكثر من الفولتية من البوابة إلى المصدر. يمكن أن يكون الحد الأقصى لـ RDS(on) أعلى بنسبة 20% إلى 50% من القيمة النموذجية. يشير الحد الأقصى لـ RDS(on) عادةً إلى القيمة عند درجة حرارة الوصلة البالغة 25 درجة مئوية. في درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن يزيد RDS(on) بنسبة 30% إلى 150%، كما هو موضح في الشكل 1. نظرًا لأن RDS(on) يتغير مع درجة الحرارة ولا يمكن ضمان الحد الأدنى من قيمة المقاومة، فإن اكتشاف التيار بناءً على RDS(on) ليس أمرًا ممكنًا. طريقة دقيقة للغاية.
الشكل 1 يزداد RDS(on) مع درجة حرارة تتراوح بين 30% إلى 150% من درجة حرارة التشغيل القصوى
تعتبر المقاومة مهمة جدًا لكل من الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة N والقناة P. في تبديل مصادر الطاقة، يعد Qg معيارًا رئيسيًا لاختيار الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة N المستخدمة في تبديل مصادر الطاقة لأن Qg يؤثر على خسائر التبديل. هذه الخسائر لها تأثيران: الأول هو وقت التبديل الذي يؤثر على تشغيل وإيقاف MOSFET؛ والآخر هو الطاقة اللازمة لشحن سعة البوابة أثناء كل عملية تبديل. شيء واحد يجب أخذه في الاعتبار هو أن Qg يعتمد على جهد مصدر البوابة، حتى لو كان استخدام Vgs أقل يقلل من خسائر التبديل. كوسيلة سريعة لمقارنة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة المخصصة للاستخدام في تبديل التطبيقات، غالبًا ما يستخدم المصممون صيغة فردية تتكون من RDS(on) لخسائر التوصيل وQg لخسائر التبديل: RDS(on)xQg. يلخص "رقم الجدارة" (FOM) أداء الجهاز ويسمح بمقارنة الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) من حيث القيم النموذجية أو القصوى. لضمان إجراء مقارنة دقيقة عبر الأجهزة، تحتاج إلى التأكد من استخدام نفس VGS لـ RDS(on) وQg، ومن عدم خلط القيم النموذجية والحد الأقصى معًا في المنشور. سيمنحك FOM السفلي أداءً أفضل في تبديل التطبيقات، لكن هذا غير مضمون. لا يمكن الحصول على أفضل نتائج المقارنة إلا في دائرة فعلية، وفي بعض الحالات قد تحتاج الدائرة إلى الضبط الدقيق لكل MOSFET. التيار المقنن وتبديد الطاقة، استنادًا إلى ظروف الاختبار المختلفة، تحتوي معظم الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) على تيار تصريف مستمر واحد أو أكثر في ورقة البيانات. ستحتاج إلى إلقاء نظرة على ورقة البيانات بعناية لمعرفة ما إذا كان التصنيف عند درجة حرارة الحالة المحددة (على سبيل المثال TC=25 درجة مئوية)، أو درجة الحرارة المحيطة (على سبيل المثال TA=25 درجة مئوية). أي من هذه القيم الأكثر صلة سيعتمد على خصائص الجهاز والتطبيق (انظر الشكل 2).
الشكل 2: جميع قيم التيار والطاقة القصوى المطلقة هي بيانات حقيقية
بالنسبة للأجهزة الصغيرة المثبتة على السطح والمستخدمة في الأجهزة المحمولة، قد يكون مستوى التيار الأكثر صلة هو ذلك عند درجة حرارة محيطة تبلغ 70 درجة مئوية. بالنسبة للمعدات الكبيرة ذات المشتتات الحرارية وتبريد الهواء القسري، قد يكون المستوى الحالي عند TA = 25 درجة مئوية أقرب إلى الوضع الفعلي. بالنسبة لبعض الأجهزة، يمكن للقالب التعامل مع تيار أكبر عند درجة حرارة الوصلة القصوى مقارنة بحدود الحزمة. في بعض أوراق البيانات، يعد هذا المستوى الحالي "المحدود" بمثابة معلومات إضافية للمستوى الحالي "المحدود"، والذي يمكن أن يعطيك فكرة عن قوة القالب. تنطبق اعتبارات مماثلة على تبديد الطاقة المستمر، والذي لا يعتمد فقط على درجة الحرارة ولكن أيضًا على الوقت المحدد. تخيل جهازًا يعمل بشكل مستمر عند PD=4W لمدة 10 ثوانٍ عند TA=70°C. سيختلف ما يشكل فترة زمنية "مستمرة" بناءً على حزمة MOSFET، لذلك ستحتاج إلى استخدام مخطط المعاوقة الحرارية العابرة المعيارية من ورقة البيانات لمعرفة كيف يبدو تبديد الطاقة بعد 10 ثوانٍ، أو 100 ثانية، أو 10 دقائق. . وكما هو موضح في الشكل 3 فإن معامل المقاومة الحرارية لهذا الجهاز المتخصص بعد نبضة مدتها 10 ثوانٍ يبلغ 0.33 تقريباً، مما يعني أنه بمجرد وصول الحزمة إلى التشبع الحراري بعد 10 دقائق تقريباً، تبلغ قدرة تبديد الحرارة للجهاز 1.33 واط فقط بدلاً من 4 واط. . على الرغم من أن قدرة تبديد الحرارة للجهاز يمكن أن تصل إلى حوالي 2 واط في ظل التبريد الجيد.
الشكل 3: المقاومة الحرارية لـ MOSFET عند تطبيق نبض الطاقة
في الواقع، يمكننا تقسيم كيفية اختيار MOSFET إلى أربع خطوات.
الخطوة الأولى: اختر قناة N أو قناة P
الخطوة الأولى في اختيار الجهاز المناسب لتصميمك هي تحديد ما إذا كنت تريد استخدام MOSFET ذو قناة N أو قناة P. في تطبيقات الطاقة النموذجية، عندما يتم توصيل MOSFET بالأرض ويتم توصيل الحمل بجهد التيار الكهربائي، يشكل MOSFET مفتاح الجانب المنخفض. في المفتاح ذو الجانب المنخفض، يجب استخدام الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة N نظرًا لاعتبارات الجهد المطلوب لإيقاف تشغيل الجهاز أو تشغيله. عندما يتم توصيل MOSFET بالحافلة وتحميلها إلى الأرض، يتم استخدام مفتاح عالي الجانب. تُستخدم عادةً الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ذات القناة P في هذه الهيكلية، وهو ما يرجع أيضًا إلى اعتبارات محرك الجهد. لاختيار الجهاز المناسب لتطبيقك، يجب عليك تحديد الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز وأسهل طريقة للقيام بذلك في التصميم الخاص بك. والخطوة التالية هي تحديد معدل الجهد المطلوب، أو الحد الأقصى للجهد الذي يمكن للجهاز تحمله. كلما ارتفع تصنيف الجهد، ارتفعت تكلفة الجهاز. وفقا للخبرة العملية، يجب أن يكون الجهد المقنن أكبر من جهد التيار الكهربائي أو جهد الناقل. سيوفر هذا حماية كافية حتى لا يفشل MOSFET. عند اختيار MOSFET، من الضروري تحديد الحد الأقصى للجهد الذي يمكن تحمله من المصرف إلى المصدر، أي الحد الأقصى لـ VDS. من المهم معرفة أن الحد الأقصى للجهد الذي يمكن أن يتحمله MOSFET التغيرات مع درجة الحرارة. يجب على المصممين اختبار تغيرات الجهد عبر نطاق درجة حرارة التشغيل بأكمله. يجب أن يكون للجهد المقنن هامش كافٍ لتغطية نطاق الاختلاف هذا لضمان عدم فشل الدائرة. تشمل عوامل السلامة الأخرى التي يجب على مهندسي التصميم مراعاتها، انتقال الجهد الكهربي الناجم عن تبديل الإلكترونيات مثل المحركات أو المحولات. تختلف الفولتية المقدرة باختلاف التطبيقات؛ عادة، 20 فولت للأجهزة المحمولة، 20-30 فولت لإمدادات الطاقة FPGA، و450-600 فولت لتطبيقات 85-220VAC.
الخطوة 2: تحديد التيار المقنن
الخطوة الثانية هي اختيار التصنيف الحالي لـ MOSFET. اعتمادًا على تكوين الدائرة، يجب أن يكون هذا التيار المقنن هو الحد الأقصى للتيار الذي يمكن أن يتحمله الحمل في جميع الظروف. كما هو الحال مع حالة الجهد، يجب على المصمم التأكد من أن MOSFET المحدد يمكنه تحمل هذا التصنيف الحالي، حتى عندما يولد النظام طفرات تيار. الشرطان الحاليان اللذان تم أخذهما في الاعتبار هما الوضع المستمر وارتفاع النبض. في وضع التوصيل المستمر، يكون MOSFET في حالة مستقرة، حيث يتدفق التيار بشكل مستمر عبر الجهاز. يشير ارتفاع النبض إلى تدفق كبير (أو تيار مرتفع) يتدفق عبر الجهاز. بمجرد تحديد الحد الأقصى للتيار في ظل هذه الظروف، يصبح الأمر ببساطة مسألة اختيار جهاز يمكنه التعامل مع هذا التيار الأقصى. بعد اختيار التيار المقنن، يجب أيضًا حساب فقدان التوصيل. في المواقف الفعلية، لا يعد MOSFET جهازًا مثاليًا نظرًا لوجود فقدان للطاقة الكهربائية أثناء عملية التوصيل، وهو ما يسمى بفقد التوصيل. يتصرف MOSFET مثل المقاوم المتغير عند "التشغيل"، والذي يتم تحديده بواسطة RDS(ON) للجهاز ويتغير بشكل ملحوظ مع درجة الحرارة. يمكن حساب فقدان الطاقة للجهاز عن طريق Iload2×RDS(ON). نظرًا لأن المقاومة تتغير مع درجة الحرارة، فإن فقدان الطاقة سيتغير أيضًا بشكل متناسب. كلما ارتفع جهد VGS المطبق على MOSFET، كلما كان RDS(ON) أصغر؛ على العكس من ذلك، كلما ارتفع RDS(ON). بالنسبة لمصمم النظام، هذا هو المكان الذي تأتي فيه المقايضات اعتمادًا على جهد النظام. بالنسبة للتصميمات المحمولة، من الأسهل (والأكثر شيوعًا) استخدام الفولتية المنخفضة، بينما بالنسبة للتصميمات الصناعية، يمكن استخدام الفولتية الأعلى. لاحظ أن مقاومة RDS (ON) سترتفع قليلاً مع التيار. يمكن العثور على الاختلافات في المعلمات الكهربائية المختلفة لمقاوم RDS(ON) في ورقة البيانات الفنية المقدمة من قبل الشركة المصنعة. للتكنولوجيا تأثير كبير على خصائص الجهاز، لأن بعض التقنيات تميل إلى زيادة RDS(ON) عند زيادة الحد الأقصى لـ VDS. بالنسبة لمثل هذه التقنية، إذا كنت تنوي تقليل VDS وRDS(ON)، فيجب عليك زيادة حجم الشريحة، وبالتالي زيادة حجم الحزمة المطابقة وتكاليف التطوير ذات الصلة. هناك عدة تقنيات في الصناعة تحاول التحكم في زيادة حجم الشريحة، وأهمها تقنيات موازنة القنوات والشحن. في تقنية الخنادق، يتم دمج خندق عميق في الرقاقة، وعادةً ما يكون مخصصًا للجهود المنخفضة، لتقليل مقاومة RDS(ON). من أجل تقليل تأثير الحد الأقصى لـ VDS على RDS(ON)، تم استخدام عملية عمود النمو الفوقي/عمود الحفر أثناء عملية التطوير. على سبيل المثال، قامت شركة Fairchild Semiconductor بتطوير تقنية تسمى SuperFET والتي تضيف خطوات تصنيع إضافية لتقليل RDS(ON). يعد هذا التركيز على RDS(ON) أمرًا مهمًا لأنه مع زيادة جهد الانهيار لـ MOSFET القياسي، يزداد RDS(ON) بشكل كبير ويؤدي إلى زيادة في حجم القالب. تقوم عملية SuperFET بتغيير العلاقة الأسية بين RDS(ON) وحجم الرقاقة إلى علاقة خطية. بهذه الطريقة، يمكن لأجهزة SuperFET تحقيق انخفاض مثالي في RDS(ON) بأحجام القالب الصغيرة، حتى مع فولطية الانهيار التي تصل إلى 600 فولت. والنتيجة هي أنه يمكن تقليل حجم الرقاقة بنسبة تصل إلى 35%. بالنسبة للمستخدمين النهائيين، فهذا يعني انخفاضًا كبيرًا في حجم الحزمة.
الخطوة الثالثة: تحديد المتطلبات الحرارية
الخطوة التالية في اختيار MOSFET هي حساب المتطلبات الحرارية للنظام. يجب على المصممين أن يأخذوا في الاعتبار سيناريوهين مختلفين، السيناريو الأسوأ والسيناريو الواقعي. يوصى باستخدام نتيجة الحساب الأسوأ، لأن هذه النتيجة توفر هامش أمان أكبر وتضمن عدم فشل النظام. هناك أيضًا بعض بيانات القياس التي تحتاج إلى الاهتمام في ورقة بيانات MOSFET؛ مثل المقاومة الحرارية بين تقاطع أشباه الموصلات للجهاز المعبأ والبيئة، ودرجة حرارة الوصلة القصوى. درجة حرارة الوصلة للجهاز تساوي الحد الأقصى لدرجة الحرارة المحيطة بالإضافة إلى ناتج المقاومة الحرارية وتبديد الطاقة (درجة حرارة الوصلة = درجة الحرارة المحيطة القصوى + [المقاومة الحرارية × تبديد الطاقة]). وفقا لهذه المعادلة، يمكن حل الحد الأقصى لتبديد الطاقة للنظام، والذي يساوي I2×RDS(ON) حسب التعريف. وبما أن المصمم قد حدد الحد الأقصى للتيار الذي سيمر عبر الجهاز، فيمكن حساب RDS(ON) عند درجات حرارة مختلفة. تجدر الإشارة إلى أنه عند التعامل مع النماذج الحرارية البسيطة، يجب على المصممين أيضًا مراعاة السعة الحرارية لحالة الوصلة/الجهاز لأشباه الموصلات والحالة/البيئة؛ وهذا يتطلب عدم تسخين لوحة الدائرة المطبوعة والحزمة على الفور. ويعني الانهيار الجليدي أن الجهد العكسي الموجود على الجهاز شبه الموصل يتجاوز القيمة القصوى ويشكل مجالًا كهربائيًا قويًا لزيادة التيار في الجهاز. سيؤدي هذا التيار إلى تبديد الطاقة وزيادة درجة حرارة الجهاز وربما تلف الجهاز. ستقوم شركات أشباه الموصلات بإجراء اختبار الانهيار الجليدي على الأجهزة، أو حساب جهد الانهيار الجليدي، أو اختبار قوة الجهاز. هناك طريقتان لحساب جهد الانهيار الجليدي المقدر؛ أحدهما طريقة إحصائية والآخر هو الحساب الحراري. يستخدم الحساب الحراري على نطاق واسع لأنه أكثر عملية. قدمت العديد من الشركات تفاصيل عن اختبار أجهزتها. على سبيل المثال، توفر شركة Fairchild Semiconductor "إرشادات Power MOSFET Avalanche" (إرشادات Power MOSFET Avalanche - يمكن تنزيلها من موقع Fairchild الإلكتروني). بالإضافة إلى الحوسبة، تتمتع التكنولوجيا أيضًا بتأثير كبير على تأثير الانهيار الجليدي. على سبيل المثال، تؤدي الزيادة في حجم القالب إلى زيادة مقاومة الانهيارات الثلجية وزيادة قوة الجهاز في النهاية. بالنسبة للمستخدمين النهائيين، هذا يعني استخدام حزم أكبر في النظام.
الخطوة 4: تحديد أداء التبديل
الخطوة الأخيرة في اختيار MOSFET هي تحديد أداء التبديل لـ MOSFET. هناك العديد من المعلمات التي تؤثر على أداء التبديل، ولكن أهمها هي سعة البوابة/المصرف، والبوابة/المصدر، وسعة الصرف/المصدر. تخلق هذه المكثفات خسائر تبديل في الجهاز لأنه يتم شحنها في كل مرة يتم فيها التبديل. وبالتالي يتم تقليل سرعة تبديل MOSFET، كما تنخفض كفاءة الجهاز. لحساب إجمالي الخسائر في الجهاز أثناء التبديل، يجب على المصمم حساب الخسائر أثناء التشغيل (Eon) والخسائر أثناء إيقاف التشغيل (Eoff). يمكن التعبير عن الطاقة الإجمالية لمفتاح MOSFET بالمعادلة التالية: Psw=(Eon+Eoff)×تردد التبديل. إن شحنة البوابة (Qgd) لها التأثير الأكبر على أداء التحويل. واستنادا إلى أهمية تبديل الأداء، يتم باستمرار تطوير تقنيات جديدة لحل مشكلة التبديل هذه. زيادة حجم الشريحة يزيد من شحن البوابة؛ وهذا يزيد من حجم الجهاز. من أجل تقليل خسائر التبديل، ظهرت تقنيات جديدة مثل أكسدة القاع السميك للقناة، بهدف تقليل شحن البوابة. على سبيل المثال، يمكن للتكنولوجيا الجديدة SuperFET تقليل خسائر التوصيل وتحسين أداء التبديل عن طريق تقليل RDS(ON) وشحن البوابة (Qg). بهذه الطريقة، يمكن للدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) التعامل مع عابري الجهد عالي السرعة (dv/dt) وعابري التيار (di/dt) أثناء التبديل، ويمكنها أيضًا العمل بشكل موثوق عند ترددات التحويل الأعلى.
وقت النشر: 23 أكتوبر 2023
