MOSFET-valg: VDS, RDS(on), Qg og termikk

De fleste MOSFET-valg feiler på det andre eller tredje tallet, ikke det første. Spenningsratingen er enkel; på-resistansen ved din faktiske gate-styring, og varmen som følger, er der designene går galt.

1. Spenning: det enkle tallet

En 24 V-skinne med lasttransienter kan se 30–36 V ved dren. En 40 V FET er en rimelig start; en 30 V-komponent er det ikke. Tommelfingerregelen er 1.5–2× den nominelle skinnen, og sjekk avalanche-ratingen hvis lasten er induktiv.

Høyere spenningsratinger kommer vanligvis med høyere RDS(on) for samme die-størrelse, så ikke over-spesifiser: en 100 V-komponent på en 12 V-skinne koster på-motstand for margin du ikke trenger.

2. RDS(on) ved gate-spenningen din

Datablad oppgir RDS(on) ved 10 V, ofte også ved 4.5 V, og sjelden ved 2.5 V. Hvis gatedriveren er en 3.3 V MCU-pinne, er 10 V-tallet fiksjon for designet ditt: komponenten kan være bare delvis åpnet, og motstanden flere ganger høyere.

3. Qg og driveren

Gate-tap = Qg x Vg x fsw

Qg 30 nC, 10 V, 100 kHz: 30 mW
Qg 6 nC:                   6 mW

Gate-tap er liten ved 100 kHz og dominerende ved 1 MHz. Den andre halvdelen er svitsjetap under overgangen, som avhenger av hvor raskt driveren kan lade og utlade gate — en svak driver med stor Qg gjør en «lav RDS(on)»-komponent om til en varmeovn.

Driverstyrke er den andre halvdelen av ligningen. En 3.3 V GPIO leverer noen milliampere; en dedikert gate-driver leverer ampere i noen nanosekunder. Med stor Qg og en svak driver tilbringer FET-en lengre tid i det lineære området ved hver flanke, og den tiden er varme.

4. Tapsbudsjettet

Eksempel: 24 V til 5 V, 5 A, 200 kHz, RDS(on) 10 mΩ ved 100 °C, D = 0.21. Ledningstapet er 25 × 0.010 × 0.21 ≈ 53 mW; svitsjing med 20 ns flanker er 0.5 × 24 × 5 × 40e-9 × 200e3 ≈ 480 mW; gate ved 10 nC er 2 mW. Svitsjing, ikke ledning, er problemet — en raskere flanke eller en lavere frekvens endrer svaret.

Dette resultatet er det motsatte av den vanlige intuisjonen. Ved 24 V og 200 kHz dominerer svitsjetapet, så en komponent med litt høyere RDS(on), men mye lavere Qg og raskere flanker, kan gå kjøligere. Ved 5 V og 50 kHz vinner vanligvis ledningstapet, og komponenten med lav RDS er riktig.

5. Termisk: kapsel og kobber

Drain-padden er kjøleribben. En DFN med en via-matrise og kobber på den andre siden kan nå 20 °C/W; en SOT-23 uten kobber er nærmere 200 °C/W i stillestående luft. Å velge kapsel er å velge termisk motstand.

5b. Tre kandidater, samme oppgave

Ingen av disse er «best». Det riktige svaret avhenger av tapsbudsjettet, som er grunnen til at utvelgelsesrekkefølgen starter med applikasjonstallene i stedet for delelisten.

6. Utvelgelsesrekkefølge

1. Filtrer på VDS (1.5–2× skinnespenning, pluss transienter).
2. Filtrer på RDS(on) ved portspenningen du vil bruke, ved 100 °C.
3. Kontroller Qg mot driverens kapasitet ved din svitsjefrekvens.
4. Sjekk kapselens termiske motstand mot tapbudsjettet.
5. Sjekk deretter kroppsdiode, SOA og avalanche — detaljene som avgjør de to siste kandidatene.

7. FAQ

Er lavere RDS(on) alltid bedre?

Nei. Lavere RDS(on) betyr vanligvis en større die, mer Qg og langsommere svitsjing, noe som kan øke totaltapet ved høy frekvens.

Kan jeg drive en standard MOSFET fra 3.3 V?

Vanligvis ikke godt. Terskelen kan være nådd, men komponenten vil ikke være fullt påslått, så RDS(on) er mye høyere enn verdien i databladet.

Hvorfor blir FET-en varm ved lav strøm?

Svitsjetap og gate-tap faller ikke med strømmen. Ved lav belastning kan de dominere, spesielt ved høy frekvens.

Trenger jeg en gate-motstand?

En liten en (2–10 Ω) demper ringingen og kontrollerer EMI. Er den for stor, øker svitsjetapet; er den for liten, overskrider ringingen gate-spesifikasjonen.

N-kanal eller P-kanal for høyside?

N-kanal har bedre RDS(on), men trenger en bootstrap eller ladepumpe. P-kanal er enklere og dårligere per areal — greit for lav strøm.

Hva med body-dioden?

I et synkront trinn leder body-dioden i dødtiden. Fremspenningsfallet og gjenoppladningsladningen øker tapet, og i en hard-switsjet bro kan de forårsake ringing. Sjekk trr og Qrr, ikke bare fremspenningen.

Hvordan leser jeg det sikre driftsområdet?

SOA-grafen viser strømmen komponenten tåler for en gitt VDS og pulsbredde. Det er viktig for hot-plug, innkoblingsstrøm og feilforhold — ikke for kontinuerlig drift.

Hvor mye kobber trenger jeg?

Nok til å holde tab-en nær omgivelsestemperaturen pluss noen grader ved forventet tap. Termiske vias under pad-en er første steg, ikke en kjøleribbe.

8. Kilder

• MOSFET-datablad fra produsenten — RDS(on) ved 25 °C og 100 °C, Qg, SOA, termisk motstand.
• Applikasjonsnotater om MOSFET-effekttap og gatedrift (TI, Infineon, onsemi).
• Termiske data for kapsel — RθJA med anbefalt kobberareal og via-mønster.