Jaka jest różnica między tranzystorami polowymi (FET) sprzedawanymi jako przełączniki a wzmacniacze?

34

Na przykład J108 JFET jest wymieniony jako „Przełącznik N-kanałowy”, a arkusz danych wspomina RDS o oporności, podczas gdy J201 JFET jest wymieniony jako „Wzmacniacz ogólnego przeznaczenia N-kanałowy” (i oporność musiałaby być wydedukowane z krzywych IDS?)

Czy istnieje różnica w sposobie ich projektowania i produkcji? Czy jeden typ może być ogólnie używany w drugiej aplikacji, ale nie odwrotnie?

Powiązane, dla BJT: Jaka jest różnica między małosygnałowymi bipolarnymi tranzystorami złączowymi (BJT) sprzedawanymi jako przełączniki vs. wzmacniacze?

endolit
źródło

Odpowiedzi:

21

Przy projektowaniu tranzystorów można dokonać różnych wyborów, przy czym niektóre kompromisy są lepsze w przypadku przełączania aplikacji, a inne w przypadku aplikacji „liniowych”.

Przełączniki są przeznaczone do spędzania większości czasu całkowicie lub całkowicie. Stany włączenia i wyłączenia są zatem ważne, a krzywa reakcji stanów pośrednich nie jest zbyt istotna.

W większości zastosowań prąd upływowy w stanie wyłączonym większości tranzystorów jest wystarczająco niski, aby nie mieć znaczenia. W przypadku przełączania aplikacji jednym z najważniejszych parametrów jest sposób włączenia, zgodnie z kwantyfikacją Rdsona w FET oraz napięcie i prąd nasycenia w dwubiegunowych. Dlatego przełączanie tranzystorów polowych będzie miało specyfikację Rdson, nie tylko po to, aby pokazać, jak dobrze są w pełni włączone, ale ponieważ jest to również ważne dla projektantów obwodu, aby wiedzieć, ile napięcia spadną i ile ciepła rozproszą.

Tranzystory stosowane jako wzmacniacze ogólnego przeznaczenia działają w obszarze „liniowym”. Mogą nie być aż tak bardzo liniowe w swojej charakterystyce, ale jest to nazwa używana w branży do oznaczania zakresu pośredniego, w którym tranzystor nie jest ani całkowicie włączony, ani całkowicie wyłączony. W rzeczywistości, do użytku ze wzmacniaczem nie chcesz nigdy całkowicie trafić w żaden ze stanów granicznych. Dlatego Rdson nie jest tak istotny, ponieważ planujesz nigdy nie być w tym stanie. Chcesz jednak wiedzieć, jak urządzenie reaguje na różne kombinacje napięcia bramki i napięcia drenażu, ponieważ planujesz używać go w szerokim kontinuum tych.

Są pewne kompromisy, które projektant tranzystorów może uczynić, które sprzyjają bardziej proporcjonalnej reakcji na napięcie bramki w porównaniu z najlepszym w pełni pod względem efektywnej rezystancji. Dlatego niektóre tranzystory są promowane jako przełączniki w porównaniu do operacji liniowych. Arkusze danych koncentrują się następnie na specyfikacjach najbardziej odpowiednich dla projektanta obwodu dla zamierzonego zastosowania.

Olin Lathrop
źródło
16

W przypadku tranzystorów MOSFET obowiązuje dobra zasada wskazująca, że ​​im nowsza część, tym lepiej jest zoptymalizowana pod kątem przełączania aplikacji. Początkowo tranzystory MOSFET były stosowane jako elementy przejściowe w liniowych regulatorach napięcia (brak prądu bazowego zmniejszającego straty bez obciążenia lub ogólną wydajność) lub we wzmacniaczach audio klasy AB. Dzisiaj siłą napędową rozwoju nowych generacji MOSFET jest oczywiście wszechobecność zasilaczy impulsowych i ciągłe dążenie do sterowania silnikiem za pomocą przetwornic częstotliwości. To, co zostało osiągnięte w tym względzie, jest spektakularne.

Niektóre cechy, które zostały ulepszone z każdą nową generacją przełączających tranzystorów MOSFET:

  • Niższe R DS, włączone - Ponieważ minimalizacja strat przewodzenia oznacza maksymalizację ogólnej wydajności.
  • Niższa pojemność pasożytnicza - Ponieważ mniejszy ładunek wokół bramki pomaga zmniejszyć straty jazdy i zwiększa prędkość przełączania; mniej czasu poświęcanego na przełączanie oznacza mniejsze straty przełączania.
  • Krótszy czas odzyskiwania wstecznej diody wewnętrznej; połączony z wyższą oceną dV / dt - Pomaga to również w zmniejszeniu strat przełączania, a także oznacza, że ​​nie możesz zniszczyć MOSFET tak łatwo, gdy zmusisz go do wyłączenia naprawdę, naprawdę szybko.
  • Odporność na lawinę - przy przełączaniu aplikacji zawsze występuje cewka indukcyjna. Odcięcie prądu od cewki indukcyjnej oznacza wytworzenie dużych skoków napięcia. W przypadku słabego odrzucenia lub całkowitego zwolnienia, kolce będą wyższe niż maksymalne napięcie znamionowe MOSFET. Dobra ocena lawinowa oznacza, że ​​dostajesz dodatkową premię, zanim dojdzie do katastrofalnej awarii.

Istnieje jednak jedna mało znana gotcha do liniowych zastosowań tranzystorów MOSFET, która stała się bardziej wyraźna z ich nowszymi generacjami:

  • FBSOA (bezpieczny obszar działania z przesunięciem do przodu), tj. Zdolność przenoszenia mocy w liniowym trybie pracy.

Wprawdzie jest to problem z każdym rodzajem MOSFET-a, starym i nowym, ale starsze procesy były nieco bardziej wybaczające. To jest wykres, który zawiera większość istotnych informacji:

MOSFET Transfer Curce Vgs vs Id Źródło: APEC, IRF

W przypadku wysokiego napięcia między bramkami a wzrostem temperatury nastąpi wzrost rezystancji i spadek prądu drenu. W przypadku przełączania aplikacji jest to po prostu idealne: tranzystory MOSFET są dobrze nasycane wysokim V GS . Pomyśl o równoległych MOSFETACH i pamiętaj, że pojedynczy MOSFET ma wiele małych, równoległych MOSFETów na swoim układzie. Gdy jeden z tych tranzystorów MOSFET rozgrzeje się, będzie miał zwiększoną rezystancję, a jego sąsiedzi „pobiorą” więcej prądu, co prowadzi do dobrego ogólnego rozkładu bez punktów zapalnych. Niesamowite.

W przypadku V GS niższej niż wartość, w której przecinają się dwie linie, zwanej zwrotnicą o zerowej temperaturze (por . Przypis 1155 IRF ), jednak podwyższona temperatura doprowadzi do obniżenia R DS, włączenia i zwiększenia prądu drenu. W tym miejscu ucieknie od ciebie ucieczka termiczna, wbrew powszechnemu przekonaniu, że jest to zjawisko wyłącznie BJT. Pojawią się gorące punkty, a MOSFET może samozagładnie w spektakularny sposób, zabierając ze sobą piękne obwody w jego sąsiedztwie.

Plotka głosi, że starsze, boczne urządzenia MOSFET miały lepiej dopasowane charakterystyki przenoszenia na wewnętrznych, równoległych MOSFET-ach na chipie w porównaniu do nowszych urządzeń wykopów zoptymalizowanych pod kątem wyżej wymienionych cech ważnych dla przełączania aplikacji. Jest to dodatkowo wspierane przez dokument, z którym już się połączyłem , pokazując, jak nowsze urządzenia mają nawet rosnące V GS dla punktu zerowej temperatury podziału.

Krótko mówiąc: istnieją tranzystory MOSFET, które lepiej nadają się do zastosowań liniowych lub przełączania. Ponieważ aplikacje liniowe stały się czymś w rodzaju niszowej aplikacji, np. Do kontrolowanych napięciem odbiorników prądu , konieczna jest dodatkowa ostrożność w stosunku do wykresu dla obszaru bezpiecznego działania z przesunięciem do przodu ( FB-SOA ). Jeśli nie zawiera linii do pracy DC, jest to ważna wskazówka, że ​​urządzenie prawdopodobnie nie będzie dobrze działać w aplikacjach liniowych.

Oto jeszcze jeden link do artykułu IRF z dobrym podsumowaniem większości rzeczy, o których tu wspomniałem.

zebonaut
źródło
To bardzo dobra odpowiedź, choć pytałem więcej o tranzystory przełączające małosygnałowe niż tranzystory mocy SMPS. Czy mógłbyś coś jeszcze o nich dodać?
endolith
Jeśli chodzi o zwrotnicę z zerową temperaturą w tym przykładzie: Czy to oznaczałoby, że chcę utrzymać Vgs powyżej 5,7 V, aby zapobiec niekontrolowanemu wzrostowi temperatury?
Rev 1.0