Selección de MOSFET: VDS, RDS(on), Qg y térmica
La mayoría de las selecciones de MOSFET fallan en el segundo o tercer número, no en el primero. La tensión nominal es fácil; la resistencia de encendido con su excitación de puerta real, y el calor que conlleva, son donde fallan los diseños.
Respuesta rápida
- VDS: al menos 1.5–2× la tensión máxima de entrada, incluidos los transitorios.
- RDS(on): a la tensión de puerta que realmente aplicas — no a la cifra de 10 V.
- Qg: determina la pérdida de accionamiento de puerta y la velocidad de conmutación; un dado grande tiene más de eso.
- Térmico: el encapsulado y el cobre deciden si la pérdida es soportable.
1. Tensión: el número fácil
Un riel de 24 V con transitorios de carga puede ver 30–36 V en el drenador. Un FET de 40 V es un comienzo razonable; un componente de 30 V no lo es. La regla general es 1.5–2× el riel nominal, y compruebe la clasificación de avalancha si la carga es inductiva.
Las clasificaciones de voltaje más altas suelen conllevar un RDS(on) más alto para el mismo tamaño de dado, así que no sobredimensione: un componente de 100 V en un riel de 12 V cuesta resistencia de conducción por un margen que no necesita.
| Riel | VDS a buscar | Comentario |
|---|---|---|
| 5 V | 20–30 V | Plenty of choice, low RDS(on) |
| 12 V | 30–40 V | The common sweet spot |
| 24 V | 40–60 V | Check transients on the rail |
| 48 V | 80–100 V | RDS(on) rises; parallel devices may be better |
2. RDS(on) a su voltaje de compuerta
Las hojas de datos especifican RDS(on) a 10 V, a menudo también a 4.5 V y rara vez a 2.5 V. Si el controlador de compuerta es un pin de MCU de 3.3 V, el valor de 10 V es ficción para su diseño: el componente puede estar solo parcialmente activado y la resistencia, varias veces mayor.
| Excitación de puerta | Clase de pieza | Atención a |
|---|---|---|
| 10–12 V | Standard | Gate charge and driver current |
| 4.5–5 V | Logic-level | Check the 4.5 V column exists |
| 2.5–3.3 V | Sub-logic-level | Fewer parts; watch threshold spread |
3. Qg y el controlador
Pérdida de compuerta = Qg x Vg x fsw Qg 30 nC, 10 V, 100 kHz: 30 mW Qg 6 nC: 6 mW
La pérdida de compuerta es pequeña a 100 kHz y dominante a 1 MHz. La otra mitad es la pérdida de conmutación durante la transición, que depende de la rapidez con la que el driver puede cargar y descargar la compuerta; un driver débil con un Qg grande convierte una pieza de “bajo RDS(on)” en un calentador.
La fortaleza del driver es la otra mitad de la ecuación. Un GPIO de 3.3 V entrega unos pocos miliamperios; un driver de compuerta dedicado entrega amperios durante unos pocos nanosegundos. Con un Qg grande y un driver débil, el FET pasa más tiempo en la región lineal en cada flanco, y ese tiempo es calor.
4. El presupuesto de pérdidas
| Término | Fórmula | Nota |
|---|---|---|
| Conduction | I² × RDS(on) × D | Use RDS(on) at temperature |
| Switching | 0.5 × VDS × I × (tr + tf) × fsw | Measured, not guessed |
| Gate | Qg × Vg × fsw | Driver loss often included |
| Body diode | VF × I × dead time × fsw | Matters in synchronous stages |
Ejemplo: 24 V a 5 V, 5 A, 200 kHz, RDS(on) 10 mΩ a 100 °C, D = 0.21. La conducción es 25 × 0.010 × 0.21 ≈ 53 mW; la conmutación con flancos de 20 ns es 0.5 × 24 × 5 × 40e-9 × 200e3 ≈ 480 mW; la puerta a 10 nC es 2 mW. El problema es la conmutación, no la conducción: un flanco más rápido o una frecuencia más baja cambia la respuesta.
Ese resultado es lo contrario de la intuición habitual. A 24 V y 200 kHz, el término de conmutación domina, por lo que un componente con un RDS(on) ligeramente mayor pero un Qg mucho menor y flancos más rápidos puede operar a menor temperatura. A 5 V y 50 kHz, el término de conducción suele imponerse, y el componente de baja RDS es el correcto.
5. Térmica: encapsulado y cobre
El pad de drenaje es el disipador. Un DFN con una matriz de vías y cobre en el otro lado puede alcanzar 20 °C/W; un SOT-23 sin cobre se acerca más a 200 °C/W en aire en reposo. Elegir el encapsulado es elegir la resistencia térmica.
5b. Tres candidatos, la misma tarea
| Candidato | RDS(on) a 4.5 V | Qg | Encaja |
|---|---|---|---|
| A: big die | 5 mΩ | 30 nC | Low frequency, high current |
| B: balanced | 10 mΩ | 10 nC | Most 100–300 kHz designs |
| C: small die | 20 mΩ | 3 nC | High frequency, light load |
Ninguno de estos es “el mejor”. La respuesta correcta depende del presupuesto de pérdidas, por lo que el orden de selección comienza con los números de la aplicación y no con la lista de piezas.
6. Orden de selección
- Filtrar por VDS (1.5–2× el rail, más transitorios).
- Filtrar por RDS(on) a la tensión de puerta que utilizará, a 100 °C.
- Verificar Qg frente a la capacidad del driver a su frecuencia de conmutación.
- Verifique la resistencia térmica del encapsulado frente al presupuesto de pérdidas.
- Luego revise el diodo de cuerpo, la SOA y la avalancha: los detalles que deciden los últimos dos candidatos.
7. FAQ
¿Un RDS(on) más bajo siempre es mejor?
No. Un RDS(on) más bajo normalmente implica un dado más grande, más Qg y una conmutación más lenta, lo que puede aumentar la pérdida total a alta frecuencia.
¿Puedo excitar un MOSFET estándar desde 3.3 V?
Normalmente no bien. El umbral puede alcanzarse, pero el componente no estará completamente en conducción, así que RDS(on) es mucho más alto que el valor de la hoja de datos.
¿Por qué se calienta el FET a baja corriente?
Las pérdidas de conmutación y de compuerta no disminuyen con la corriente. Con carga ligera pueden dominar, especialmente a alta frecuencia.
¿Necesito una resistencia de compuerta?
Una pequeña (2–10 Ω) amortigua las oscilaciones y controla EMI. Si es demasiado grande, aumenta la pérdida de conmutación; si es demasiado pequeña, las oscilaciones superan el valor nominal de la compuerta.
¿N-channel o P-channel para el lado alto?
El canal N tiene mejor RDS(on), pero necesita bootstrap o bomba de carga. El canal P es más simple y peor por área; está bien para corriente baja.
¿Y el diodo de cuerpo?
En una etapa síncrona, el diodo de cuerpo conduce durante el tiempo muerto. Su caída directa y su carga de recuperación añaden pérdidas, y en un puente con conmutación dura pueden causar oscilaciones. Compruebe trr y Qrr, no solo la tensión directa.
¿Cómo leo el área de operación segura?
El gráfico SOA muestra la corriente que el componente puede soportar para un VDS y un ancho de pulso determinados. Es importante para conexión en caliente, corriente de irrupción y condiciones de fallo, no para funcionamiento en régimen permanente.
¿Cuánto cobre necesito?
Suficiente para mantener la pestaña cerca de la temperatura ambiente más unos pocos grados con la pérdida esperada. Las vías térmicas bajo el pad son el primer paso, no un disipador térmico.
8. Fuentes
- Hojas de datos de MOSFET de los fabricantes — RDS(on) a 25 °C y 100 °C, Qg, SOA, resistencia térmica.
- Notas de aplicación sobre pérdidas de potencia y accionamiento de puerta en MOSFET (TI, Infineon, onsemi).
- Datos térmicos del encapsulado — RθJA con el área de cobre y el patrón de vías recomendados.
¿Elegir un MOSFET?
Envíe la tensión del riel, la corriente de carga, la frecuencia de conmutación y la excitación de compuerta. Revisaremos el presupuesto de pérdidas y el encapsulado antes de que realice el pedido.
