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StrongIRFET: i vantaggi di utilizzare i MOSFET per le applicazioni di potenza

StrongIRFET

I transistor MOSFET giocano un ruolo fondamentale nella progettazione dei circuiti elettronici di potenza, dove l'affidabilità e la capacità di sopportare elevate correnti e tensioni operative sono requisiti fondamentali. Scopriamo in questo articolo la famiglia di prodotti StrongIRFET di International Rectifier Corporation, arrichitasi recentemente con l'introduzione di nuovi MOSFET a 60V.

Introduzione

Sin dal lancio del primo dispositivo HEXFET avvenuto nel 1979, International Rectifier si è contraddistinta per le sue soluzioni innovative basate sui MOSFET di potenza. La gamma di prodotti di cui dispone l'azienda include dispositivi a singolo e doppio canale N e P, tutti caratterizzati da velocità di commutazione molto elevate e particolarmente indicati per applicazioni di elevata potenza tra cui: alimentatori AC-DC e DC-DC, sistemi audio, elettronica di consumo, sistemi per il controllo di motori, sistemi per l'illuminazione, e domotica.

La famiglia di MOSFET di potenza StrongIRFET è stata ottimizzata specificatamente per applicazioni con bassa resistenza di ON (RDSon), e elevate correnti. I dispositivi della serie sono caratterizzati da un gate migliorato, robustezza migliorata nei confronti dell'effetto valanga e del dV/dt dinamico, e sono pertanto ideali per tutte le applicazioni industriali di bassa frequenza nelle quali sono richieste elevate prestazioni e robustezza: controllo di motori a spazzole, controllo di motori brushless in continua (BLDC), inverter, circuiti alimentati a batteria.

I dispositivi della serie StrongIRFET sono disponibili sia nel package Thru-Hole che in quello D2-PAK a montaggio superficiale. In Figura 1 e in Figura 2 sono indicati, rispettivamente, i modelli di MOSFET StrongIRFET a 60V disponibili nel package con foro passante (Thru-Hole) e in quello SMD (D2-PAK).

Figura 1

Figura 2

Nell'ambito delle applicazioni industriali ad elevata potenza, quali ad esempio carrelli elevatori, gruppi di continuità (UPS), inverter per pannelli solari, alimentatori switching, e moltissimi tipi di utensili elettrici, sono richieste sia un'elevata efficienza (in modo tale da prolungare il più possibile la durata delle batterie), sia la capacità di sopportare correnti anche molto elevate. I MOSFET di potenza della serie StrongIRFET sono stati progettati da IR proprio per soddisfare questi tipi di applicazioni, garantendo nello stesso tempo un'elevata affidabilità e prestazioni elevate. Come indicato nelle caratteristiche elettriche dei componenti (Figure 1 e 2), i MOSFET di IR sono in grado di sopportare correnti fino a 195A, garantendo comunque una resistenza di ON (RDSon) di valore molto contenuto. Ricordiamo che questo aspetto, oltre a contribuire all'ottenimento di un'efficienza molto elevata, consente anche di perseguire un significativo risparmio sui dissipatori di calore, che possono essere di dimensioni molto ridotte.

I MOSFET di potenza

Come noto, i transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) sono basati sull'effetto di campo introdotto negli anni '70. In Figura 3 sono rappresentati, rispettivamente, lo schema a blocchi, la funzione di trasferimento, ed il simbolo utilizzato negli schemi per rappresentare il transistor MOSFET.

Figura 3

Il successo riscosso immediatamente dai transistor MOSFET è stato in parte determinato dalle limitazioni offerte dai transistor di potenza bipolari (BJT), che sino ad allora rappresentavano la scelta primaria anche per le applicazioni di potenza. Anche se non è così semplice definire quando un transistor può essere considerato a tutti gli effetti come un dispositivo di potenza, possiamo in linea di massima considerare come transistor di potenza ogni transistor in grado di commutare con correnti di almeno 1 A. I transistor di potenza bipolari, tuttavia, sono sempre stati affetti da alcune limitazioni che ora andremo ad esaminare.

Una prima limitazione offerta dai transistor di potenza BJT è che, per mantenersi nello stato di conduzione (ON), essi richiedono una corrente di base pari ad almeno un  quinto della corrente di collettore. Inoltre, per ottenere una rapida commutazione nello stato di interdizione (OFF), è necessario applicare alla base una corrente inversa di valore ancora più superiore.

Nonostante gli enormi progressi compiuti nel settore della produzione dei transistor bipolari ed il loro costo contenuto rispetto ad altre tipologie di transistor, le limitazioni sopra citate hanno reso la fabbricazione dei transistor BJT più complicata ed economicamente meno conveniente rispetto a quella dei transistor di potenza MOSFET.

Una ulteriore limitazione presente nei transistor bipolari è che in essi sia gli elettroni sia le lacune contribuiscono ad instaurare la conduzione. La presenza delle lacune, in particolare, fa sì che le velocità di commutazione dei transistor BJT siano di parecchi ordini di grandezza inferiori rispetto a quelle dei transistor di potenza MOSFET di dimensioni e tensioni paragonabili.

Infine, i transistor bipolari sono affetti anche dal cosiddetto fenomeno della deriva termica, cioè la variazione del punto di lavoro del transistor stesso determinata da diversi fattori, tra cui il principale è rappresentato dalla temperatura. I transistor di potenza MOSFET, al contrario, sono basati sull'utilizzo di portatori di carica maggioritari e si sono dimostrati superiori rispetto ai transistor bipolari nelle applicazioni di elevata frequenza, nelle quali le perdite di potenza durante la commutazione sono molto importanti. Inoltre, essi sono in grado di sopportare l'applicazione contemporanea di elevate correnti ed elevate tensioni senza provocare la rottura del componente.

Tuttavia, nel caso di tensioni di breakdown elevate (superiori ad esempio a 200V), la caduta di tensione nello stato ON dei transistor MOSFET supera quella di un analogo transistor bipolare. In questo particolare caso può risultare conveniente utilizzare un transistor bipolare di potenza, accettando un peggioramento delle prestazioni alle alte frequenze. In Figura 4 sono evidenziate le attuali limitazioni in termini di tensione e corrente, con riferimento al caso dei transitor MOSFET e a quello dei transistor bipolari.

Figura 4

Un esempio pratico

Abbiamo visto in precedenza, come illustrato nelle Figure 1 e 2, quali siano i diversi modelli di dispositivi MOSFET appartenenti alla famiglia StrongIRFET. Come esempio pratico, focalizziamoci ora sul componente IRF7530 della stessa famiglia. In Figura 5 sono indicati il simbolo elettrico, le caratteristiche elettriche principali, e i diversi tipi di package con cui il componente è disponibile in commercio.

Figura 5

Fermo restando che sul sito di International Rectifier sono disponibili i datasheet completi e dettagliati di tutti i dispositivi appartenenti alla famiglia di MOSFET di potenza StrongIRFET, può essere utile soffermarci su alcune caratteristiche particolarmente salienti di questo componente.

In Figura 6 possiamo anzitutto rilevare l'andamento della resistenza di ON (RDSon) al variare della tensione applicata agli elettrodi di gate e di source (VGS), con riferimento a una corrente di drain ID pari a 100A. Possiamo inoltre osservare come, per valori di VGS superiori a circa 5V, la resistenza di ON si mantenga pressochè costante al variare della tensione VGS stessa, con valore assoluto molto ridotto (l'unità di misura, ricordiamo, sono i milliOhm). Possiamo infine notare come il valore di RDSon cresca al crescere della temperatura della giunzione operativa (in Figura 5 sono rappresentati gli andamenti per Tj=25 °C e Tj=125 °C).

Figura 6

Particolarmente interessanti sono anche le curve caratteristiche riportate nelle Figure 7 e 8. Si tratta in questo caso delle classiche curve caratteristiche di uscita (output) relativa a un transistor MOSFET, qui riportate per valori della temperatura di giunzione (Tj) pari a 25 °C e 175 °C, rispettivamente.

Figura 7

Figura 8

In ogni curva caratteristica di uscita, detta anche di curva di drain, viene riportato il valore della corrente ID per diversi valori di VDS (tensione esistente tra gli elettrodi di drain e di source).

Conclusioni

I transistor di potenza MOSFET della serie StrongIRFET sono particolarmenti adatti per molteplici applicazioni nel campo dell'elettronica di potenza. Tutti i componenti appartenenti alla famiglia sono caratterizzati da un valore estremamemìnte contenuto di RDSon e dalla capacità di sopportare correnti di lavoro anche molto elevate. Una ulteriore caratteristica rimarchevole dei dispositivi appartenti a questa serie è rappresentata da un'ottima tolleranza nei confronti di valori elevati di dV/dt: questi dispositivi sono pertanto in grado di sopportare molto bene delle elevate velocità di variazione della tensione drain-source. Elevate prestazioni, robustezza, e affidabilità sono le qualità basilari che contraddistinguono tutti i componenti della serie StrongIRFET.

 

Per tutte le informazioni, caratteristiche e prezzi della famiglia di MOSFET di potenza StrongIRFET, consultate il catalogo TME.

 

StrongIRFET ™ è un marchio registrato di International Rectifier. IR ® è un marchio registrato di International Rectifier Corporation.

 

 

 

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ritratto di salvatore.pizza

Interessante. Molto. Siete le

Interessante. Molto. Siete le persone giuste a cui chiedere un consiglio. Che ne dite del IRFB7430PBF?
La RDSon è anche più bassa.

ritratto di Piero Boccadoro

Che non suoni male ma

Che non suoni male ma quando si esamina un dispositivo non si prende mai solo in considerazione un parametro. Da solo non è mai esaustivo. :)
Quello che hai indicato è un MOS che non lavora a 60 V bensì a 40... Se ti serve, ad esempio, questo valore, il componente che hai indicato non è sufficiente :)
Lo hai nominato per un motivo specifico?

 

 

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