Разбираем, что на самом деле стоит за строчками даташита силового MOSFET и почему цифры из таблицы почти никогда не повторяются в железе, а заодно смотрим, чем отличаются поколения транзисторов WMOS от WAYON.
Проектируете ли вы LLC-преобразователь, корректор коэффициента мощности, обратноходовой источник или привод электродвигателя — надёжность и КПД схемы упираются в правильно выбранный силовой ключ. Причём важен не сам факт того, что транзистор «подходит по напряжению и току», а понимание, как каждая характеристика из технической документации проявит себя в работающем устройстве.
Для сравнения MOSFET между собой обычно смотрят на группу ключевых величин:
рассеиваемую мощность PD;
напряжение «затвор-исток»;
сопротивление открытого канала RDS(on);
параметры встроенного диода, в первую очередь — время обратного восстановления trr.
Дальше разберём эти величины по отдельности: что каждая из них описывает физически и к чему приводит её изменение в конкретной топологии.
Vdss: сколько транзистор держит в закрытом состоянии
Vdss — это наибольшее напряжение «сток-исток», которое ключ способен заблокировать, будучи закрытым. При проектировании по этому параметру закладывают запас, и его величина не универсальна: она зависит от топологии преобразователя, паразитной индуктивности монтажа и уровня выбросов, которые эта индуктивность порождает.
Физически Vdss задаётся толщиной и степенью легирования эпитаксиального слоя — дрейфовой области (drift region). Чем выше требуемое напряжение, тем толще должен быть этот слой и тем слабее он должен быть легирован. Отсюда и главная неприятность классических планарных структур (VD MOSFET): сопротивление дрейфовой зоны росло вместе с толщиной перехода, и переход от 600 В к 900 В оборачивался существенным увеличением RDS(ON).
Технология Super-Junction сняла это противоречие. В кристалле формируются вертикальные p-столбы, которые компенсируют заряд n-дрейфового слоя и выравнивают распределение электрического поля в объёме кристалла. Благодаря компенсации n-слой можно легировать сильно, снижая RDS(ON), и при этом не терять напряжение пробоя. По такому принципу построена, например, серия CoolMOS от Infineon.
Ток стока, рассеиваемая мощность и область безопасной работы
Id и Pd — параметры, вытекающие из тепловых свойств кристалла и качества его соединения с корпусом. Id — это допустимый ток стока при условиях измерения, оговорённых в документации, а Pd — допустимая рассеиваемая мощность при заданных тепловых условиях. Паспортные значения приводятся для стандартных условий, например при температуре корпуса Tc = 25 °C.
В реальной схеме потолок по току диктует теплоотвод. Отталкиваясь от Pd и теплового сопротивления Rth, можно посчитать предельно допустимые тепловые потери и оценить безопасный рабочий ток — и почти всегда он окажется ниже паспортного.
Вторая причина этого разрыва — положительный температурный коэффициент RDS(ON). При нагреве кристалла сопротивление канала растёт, рост сопротивления увеличивает выделение тепла, а оно, в свою очередь, догревает кристалл. В итоге мощный кремниевый кристалл в компактном корпусе физически не в состоянии отдать заявленный ток.
Совокупность всех этих ограничений сведена в документации в график SOA (Safe Operating Area) — область безопасной работы. Строится он в координатах: ток стока ID по вертикальной оси, напряжение «сток-исток» Vdss — по горизонтальной. Поле графика ограничено пятью областями:
резистивная (1) — определяется сопротивлением открытого канала RDS(ON) и ограничивает ток по закону Ома при малых Vdss;
токовая (2) — ограничена абсолютным максимальным импульсным током Idp;
тепловая (3) — лимитируется допустимой рассеиваемой мощностью Pd, зависит от длительности импульса PW и переходного теплового сопротивления;
область локального перегрева (4) — не даёт току течь неравномерно при высоком напряжении, что разрушило бы кристалл;
область (5) — ограничена максимальным напряжением «сток-исток» Vdss.
RDS(ON), заряд затвора и компромисс FOM
Сопротивление открытого канала — это статическое сопротивление между стоком и истоком в полностью открытом состоянии, главный источник кондуктивных (статических) потерь мощности.
Снижают его простым по идее способом: внутри микросхемы параллельно соединяют большое количество единичных транзисторных ячеек. На уровне топологии кремния современный силовой MOSFET — это плотный массив из тысяч микроскопических ячеек, а общее сопротивление такого массива считается по формуле параллельного соединения сопротивлений.
Плата за это — ёмкость. Каждая ячейка имеет собственную площадь затвора, отделённую от канала тонким слоем оксида, то есть представляет собой микроконденсатор. Увеличение числа и площади ячеек поднимает суммарную площадь затвора кристалла, а поскольку ёмкость прямо пропорциональна площади обкладок, автоматически растут входная ёмкость Ciss и общий заряд затвора Qg.
Qg — это суммарный электрический заряд, который нужно закачать в затвор, чтобы перевести MOSFET из закрытого состояния в открытое. Вместе с током драйвера он задаёт длительность фронтов переключения: чем больше заряд, тем дольше тянутся переходные процессы включения и выключения. Для высокочастотных схем это критично — именно в переходных режимах на ключе одновременно присутствуют ток и напряжение, а значит, возникают динамические потери.
Получается, что выбор транзистора всегда балансирует между статикой и динамикой. Этот баланс и отражает классический показатель FOM (Figure of Merit), равный произведению RDS(ON) на Qg: попытка снизить сопротивление открытого канала неизбежно ухудшает динамику из-за возросшего заряда затвора.
Пороговое напряжение затвора VGS(th)
VGS(th) — минимальное напряжение между затвором и истоком, при котором под оксидным слоем начинает формироваться инверсионный канал, связывающий сток и исток. В этот момент транзистор выходит из режима отсечки в режим слабой проводимости. Сам порог задан уровнем легирования канала и свойствами оксидного диэлектрика.
Здесь тоже нет «просто лучше». Низкий порог повышает риск ложного частичного открывания от помех, особенно если схема работает с высоким dV/dt. Слишком высокий порог, наоборот, ужесточает требования к драйверу и растягивает задержку включения. Выбор VGS(th) — это поиск баланса между помехоустойчивостью и эффективностью управления ключом.
Встроенный диод и время обратного восстановления trr
В силовом MOSFET всегда присутствует встроенный (body) диод — паразитный p-n-переход между p-областью канала и n-дрейф-областью стока. Он включён встречно-параллельно каналу и проводит ток в обратном направлении, от истока к стоку, при индуктивных выбросах и в мостовых топологиях. Его прямое падение напряжения VSD и время обратного восстановления trr напрямую определяют коммутационные потери и надёжность схемы в таких применениях, как синхронные выпрямители и полумостовые инверторы.
Механизм восстановления вытекает из природы p-n-перехода: пока через диод течёт прямой ток, в дрейфовой зоне накапливаются неосновные носители заряда, и чтобы диод закрылся, их нужно рассеять или рекомбинировать. Ускоряют этот процесс созданием центров рекомбинации — легированием тяжёлыми металлами (платиной, золотом) либо электронным облучением.
Чем больше trr, тем выше пик обратного тока, который придётся принять на себя противоположному ключу плеча. Следствия — рост коммутационных потерь, выбросы напряжения и угроза ложного включения от dv/dt.
Поколения WMOS от WAYON
Ведущие производители силовых MOSFET постоянно дорабатывают свои технологические платформы, выпуская серии с улучшенным соотношением статических и динамических параметров. Относительно недавно на российском рынке появилась продукция компании WAYON, и её линейка неплохо иллюстрирует, как этот компромисс сдвигается от поколения к поколению.
WMOS™ C2 — второе поколение мощных N-канальных MOSFET, выпущено в 2016 году. Показатель FOM снижен на 38 % относительно первого поколения; серия рассчитана на широкий спектр промышленных и потребительских применений.
WMOS™ M3 — третье поколение, 2018 год. Сфокусировано в основном на сегменте 800 В, частично охватывает и 900 В. Подходит там, где на первый план выходят частота переключения и КПД на высоких нагрузках.
WMOS™ C4 — четвёртое поколение, 2019-2020 годы, производится на базе 8-дюймовых пластин. В этой серии производитель дополнительно улучшил FOM.
WMOS™ S — семейство 2022 года на технологии суперсоединения Multi-Epitaxy (многослойной эпитаксии). Обеспечивает низкое RDS(on) в высоковольтных применениях и предлагается как альтернатива и планарным MOSFET, и SiC-транзисторам.
Сравнивать конкретные модели удобнее по таблицам параметров: при подборе имеет смысл смотреть не на отдельную цифру, а на связку «Vdss — RDS(on) — Qg — trr» применительно к своей топологии и своему теплоотводу.
