Was ist der Unterschied zwischen Feldeffekttransistoren (FETs), die als Schalter vermarktet werden, und Verstärkern?

Beim Design von Transistoren können verschiedene Entscheidungen getroffen werden, wobei einige Kompromisse besser für Schaltanwendungen und andere für "lineare" Anwendungen geeignet sind.

Schalter sind dazu bestimmt, die meiste Zeit vollständig ein- oder ausgeschaltet zu verbringen. Die Ein- und Aus-Zustände sind daher wichtig, wobei die Antwortkurve der Zwischenzustände nicht allzu relevant ist.

Für die meisten Anwendungen ist der Sperrstrom der meisten Transistoren niedrig genug, um keine Rolle zu spielen. Für Schaltanwendungen ist einer der wichtigsten Parameter, wie "ein" ein ist, wie durch Rdson in FETs und die Sättigungsspannung und -strom in Bipolaren quantifiziert. Aus diesem Grund haben schaltende FETs Rdson-Spezifikationen, nicht nur um zu zeigen, wie gut sie voll eingeschaltet sind, sondern weil dies auch wichtig für Entwickler der Schaltung ist, um zu wissen, wie viel Spannung sie abfallen und wie viel Wärme sie abführen werden.

Transistoren, die als Allzweckverstärker verwendet werden, arbeiten im "linearen" Bereich. Sie mögen in ihren Eigenschaften nicht allzu linear sein, aber dies ist der Name, der in der Industrie verwendet wird, um den Zwischenbereich zu bezeichnen, in dem der Transistor weder vollständig ein- noch vollständig ausgeschaltet ist. Tatsächlich möchten Sie bei der Verwendung von Verstärkern keinen der Grenzzustände ganz erreichen. Der Rdson ist daher nicht so relevant, da Sie planen, niemals in diesem Zustand zu sein. Sie möchten jedoch wissen, wie das Gerät auf verschiedene Kombinationen von Gate- und Drain-Spannung reagiert, da Sie beabsichtigen, es in einem breiten Kontinuum davon einzusetzen.

Es gibt Kompromisse, die der Transistordesigner eingehen kann, die eine proportionalere Reaktion auf die Gate-Spannung gegenüber dem besten vollständig eingeschalteten effektiven Widerstand begünstigen. Aus diesem Grund werden einige Transistoren als Schalter im Gegensatz zu linearen Operationen beworben. Die Datenblätter konzentrieren sich dann auch auf die Spezifikationen, die für den Schaltungsdesigner für die beabsichtigte Verwendung am relevantesten sind.

Für Leistungs-MOSFETs gibt es eine gute Faustregel, die besagt, dass je neuer das Teil ist, desto besser ist es für Schaltanwendungen optimiert. Ursprünglich wurden MOSFETs als Durchgangselemente in linearen Spannungsreglern (kein Basisstrom, der die Leerlaufverluste oder den Gesamtwirkungsgrad verschlechtert) oder Audioverstärkern der Klasse AB verwendet. Die treibende Kraft für die Entwicklung neuer MOSFET-Generationen ist heute natürlich die Allgegenwart von Schaltnetzteilen und der anhaltende Trend zur Motorsteuerung mit Frequenzumrichtern. Was in dieser Hinsicht erreicht wurde, ist nichts weniger als spektakulär.

Einige der Eigenschaften, die mit jeder neuen Generation von Schalt-MOSFETs verbessert wurden:

• Niedrigerer R _DS,on - Weil die Minimierung der Leitungsverluste eine Maximierung der Gesamteffizienz bedeutet.
• Weniger parasitäre Kapazität - Weil weniger Ladung um das Gate herum hilft, Treiberverluste zu reduzieren und die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen; Weniger Zeitaufwand für die Schaltübergänge bedeutet weniger Schaltverluste.
• Kürzere Sperrverzögerungszeit der internen Diode; verbunden mit einem höheren dV/dt-Rating - Dies trägt auch zu weniger Schaltverlusten bei und bedeutet auch, dass Sie den MOSFET nicht so leicht zerstören können, wenn Sie ihn zum sehr, sehr schnellen Abschalten zwingen.
• Avalanche-Robustheit – In Schaltanwendungen ist immer eine Induktivität involviert. Das Abschalten des Stroms zu einem Induktor bedeutet, dass große Spannungsspitzen erzeugt werden. Wenn sie schlecht gedämpft oder vollständig gelöst sind, sind die Spitzen höher als die maximale Nennspannung des MOSFET. Eine gute Lawinenbewertung bedeutet, dass Sie einen zusätzlichen Bonus erhalten, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt.

Es gibt jedoch einen nicht so bekannten Fallstrick für lineare Anwendungen von MOSFETs, der mit ihren neueren Generationen ausgeprägter geworden ist:

• FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area), dh Belastbarkeit im linearen Betriebsmodus.

Zugegeben, dies ist ein Problem mit jeder Art von MOSFET, alt und neu, aber die älteren Prozesse waren etwas nachsichtiger. Dies ist die Grafik mit den meisten relevanten Informationen:

Quelle: APEC, IRF

Bei einer hohen Gate-Source-Spannung führt eine Temperaturerhöhung zu einer Erhöhung des Einschaltwiderstands und einer Verringerung des Drainstroms. Für Schaltanwendungen ist das einfach perfekt: MOSFETs werden mit einem hohen V _GS in eine gute Sättigung getrieben . Denken Sie an parallel geschaltete MOSFETs und bedenken Sie, dass ein einzelner MOSFET viele winzige, parallel geschaltete MOSFETs auf seinem Chip hat. Wenn einer dieser MOSFETs heiß wird, hat er einen erhöhten Widerstand, und seine Nachbarn nehmen mehr Strom auf, was zu einer guten Gesamtverteilung ohne Hotspots führt. Genial.

Bei einem V _GS niedriger als dem Wert, bei dem sich die beiden Linien kreuzen, der als Nulltemperaturübergang bezeichnet wird (vgl. IRF App'note 1155 ), führt eine erhöhte Temperatur jedoch zu einem verringerten R _DS,on und zu einem erhöhten Drainstrom. Hier klopft Thermal Runaway an Ihre Tür, entgegen der landläufigen Meinung, dass dies ein reines BJT-Phänomen ist. Es treten Hot Spots auf, und Ihr MOSFET kann sich auf spektakuläre Weise selbst zerstören und einige der schönen Schaltkreise in seiner Nachbarschaft mitnehmen.

Gerüchten zufolge hatten ältere, laterale MOSFET-Bauelemente besser passende Übertragungseigenschaften über ihre internen, parallel geschalteten On-Chip-MOSFETs im Vergleich zu den neueren Trench-Bauelementen, die auf die oben genannten Eigenschaften hin optimiert wurden, die für Schaltanwendungen wichtig sind. Dies wird weiter durch das Papier gestützt, das ich bereits verlinkt habe , und zeigt, wie neuere Geräte eine sogar ansteigende V _GS für den Punkt des Nulltemperaturübergangs haben.

Lange Rede kurzer Sinn: Es gibt Leistungs-MOSFETs, die besser für lineare Anwendungen oder Schaltanwendungen geeignet sind. Da lineare Anwendungen so etwas wie eine Nischenanwendung geworden sind, z. B. für spannungsgesteuerte Stromsenken , ist besondere Vorsicht gegenüber dem Diagramm für den vorwärtsgerichteten sicheren Betriebsbereich ( FB-SOA ) geboten. Wenn es keine Leitung für den DC-Betrieb enthält, ist dies ein wichtiger Hinweis darauf, dass das Gerät in linearen Anwendungen wahrscheinlich nicht gut funktionieren wird.

Hier ist ein weiterer Link zu einem Artikel des IRF mit einer guten Zusammenfassung der meisten Dinge, die ich hier erwähnt habe.