Linearregler: MOSFET vs. BJT

Bei einem Linearregler spielt die Schaltgeschwindigkeit keine Rolle. BJT-Basisstrom kann jedoch sein. In einem MOSFET gibt es keinen Steady-State-Gate-Strom, sodass ein MOSFET einen geringeren Verlust aufweisen kann.

Außerdem sieht ein MOSFET im eingeschalteten Zustand resistiv aus, sodass die Dropout-Spannung bei niedrigen Strömen sehr klein sein kann. Ein BJT wird gesättigt und kann bei niedrigen Strömen zu einer höheren Dropout-Spannung führen.

Bei höheren Strömen kann ein BJT unter einer geringen Stromverstärkung leiden.

All diese Dinge können durch richtiges Design gemildert werden, aber sie sind definitiv Überlegungen bei der Auswahl eines Pass-Elements.

Die heutzutage am häufigsten verwendeten MOSFETs sind Leistungs-MOSFETs. Der Einschaltwiderstand der Geräte mit niedrigerer Spannung sollte weniger Spannung verschwenden, wenn die Gate-Ansteuerung richtig ausgelegt ist. Auf den ersten Blick werden sie besser sein als BJTs.

Jetzt gibt es einen echten Haken. Wenn sich der Leistungs-MOSFET erwärmt, was bei linearem Hochleistungsbetrieb zwangsläufig der Fall ist, fällt die Gate-Source-Schwellenspannung, was dazu neigt, den Drain-Strom für eine gegebene Gate-Source-Volt zu erhöhen. Diese Verbindungserwärmung erhöht den Widerstand, was dazu neigt, den Drain-Strom fallen zu lassen.

Die echten Leistungs-MOSFETs bestehen aus Millionen parallel geschalteter winziger FETs, die als Zellen bezeichnet werden. Die thermische Impedanz der einzelnen Zellen wird unterschiedlich sein, wenn man beispielsweise die Mitte oder den Rand betrachtet. Der Gesamtstrom wird von Ihrer Schaltung verwaltet, die Stromaufteilung der Zellen jedoch nicht. Was wäre, wenn eine Zelle etwas heißer würde und die sinkende Gate-Source-Schwellenspannung den Zellenstrom in viel größerem Maße erhöht als die Erhöhung des Widerstands? Mit anderen Worten, wenn Sie keine Schritte unternehmen, könnte das Gerät aufgrund lokaler Hot Spots durchbrennen. Dies könnte weit unterhalb des durchschnittlichen Tj max auftreten. Dieses potentielle Problem ist bei hohen Volt und hohen Leistungen schlimmer.

Die Verwendung von linearen FETs behebt dies gegen Aufpreis und erhöht den Widerstand. Die Verwendung alter Geräte der frühen Generation ist hilfreich, führt jedoch zu mehr Widerstand. Die Reihenschaltung ist komplexer und funktioniert mit einer Einbuße des Widerstands. Die absichtliche Verwendung von Hochvolt-Geräten bei einem Niedervolt-Job ist hilfreich, allerdings auf Kosten der Kosten und des Widerstands.

Eine stärkere Reduzierung des Geräts als normal würde helfen, aber es ist nicht klar, um wie viel. Dieser potenzielle Hot-Spot-Mechanismus für die aktuelle Überfüllung klingt ein bisschen wie ein zweiter Zusammenbruch bei BJTs, aber die Hersteller von BJTs waren sich darüber viel klarer.

Die überwiegende Mehrheit der Leistungs-Mosfets ist für Schaltanwendungen vorgesehen, daher spezifizieren Hersteller sehr selten eine DC-SOA-Kurve. Alle oben genannten Transistoren sind nicht für den Gleichstrombetrieb garantiert. Der einzige Typ, der für lineare (DC) Anwendungen geeignet ist, sind laterale (LDMOS) Typen. Diese werden für High-End-Tonverstärker und als HF-Leistungstransistoren verwendet, und sie haben einen positiven Vth-Tempco im nützlichen Bereich des Drain-Stroms. Alle sind sehr, sehr teuer! Die Verwendung eines vertikalen (normalen) Mosfet als Power-Pass-Element bei mehr als 5-15 V Dropout und 10-5 A ist nicht zuverlässig. MOSFETs haben nur zwei Vorteile: keinen Gate-Strom und fast immer Tj = 175C, was für die Wärmeableitung sehr günstig ist. Der Nachteil ist eine hohe Schwelle, die in einer Follower-Konfiguration zu einem hohen Dropout führt, ohne dass eine zusätzliche Spannungsquelle für die Steuerschaltung verwendet wird. BJTs sind immer für DC SOA spezifiziert, haben eine niedrige Vbe, aber kunststoffverpackte Typen haben eine niedrige Tj von 150 C. Metallgehäuse (TO-3) haben Tj = 200 * C, sind aber in den letzten Jahren selten und selten geworden und sehr teuer ( solche mit verifizierter Herkunft).