Транзисторы MOSFET давно нашли широкое применение во многих приложениях радиоэлектронной аппаратуры. Базовое понимание принципа их работы состоит в том, что MOSFET работает как резистор, сопротивление которого управляется входным напряжением [2]. Идеальным считается транзистор, когда в открытом состоянии сопротивление этого резистора ноль, и в закрытом состоянии бесконечность. Кроме того, мощность сигнала управления этим резистором должна быть нулевой, потому что для управления требуется только напряжение - ток равен нулю. Для статических приложений, где MOSFET управляется медленно, например в схемах защиты наподобие системы, работающей на разрыв цепи – самым важным параметром является сопротивление в открытом состоянии, R_(DS)ON. В идеале его значение должно быть 0, но на самом деле R_(DS)ON зависит от рабочего диапазона напряжений, корпуса транзистора, технологии изготовления и этот параметр может находиться в диапазоне от нескольких mΩ до нескольких Ω.

Во многих случаях MOSFET используется как быстродействующий, часто переключающийся ключ - например, в приложениях мощных источников питания, преобразователях напряжения (Switched Mode Power Supplies, SMPS). В этих приложениях эффективность работы MOSFET также зависит от некоторых других параметров. Частоты коммутации в SMPS обычно бывают от 100 кГц до 1 МГц и выше. На этих частотах уже нельзя пренебречь энергией, которую нужно тратить на перезаряд емкости затвора MOSFET, чтобы можно было переводить его из закрытого состояния в открытое и наоборот. Заряд и разряд емкости затвора должны быть сделаны очень быстро, чтобы уменьшить потери на переключение транзистора. Обычно можно переключить транзистор быстрее, если заряд на переключение MOSFET меньше. По этой причине параметр заряда затвора Q_G является очень важным параметром для приложений SMPS.

Для заданной технологии производства MOSFET параметры R_(DS)ON и Q_G противостоят друг другу. MOSFET с низким сопротивлением включенного состояния имеет больше заряд затвора, и наоборот. Поэтому результат произведения этих параметров очень хорошо характеризует транзистор MOSFET, и для него придумали специальное название - Figure Of Merit (FOM), метрика качества:

FOM = R_(DS)ON * Q_G               (1)

Однако приведенная формула не используется просто так. Этот документ должен помочь сравнить MOSFET и вычислить FOM (здесь приведен перевод даташита [1]).

[Как вычислить FOM]

R_(DS)ON и Q_G являются параметрами, которые зависят от других условий. Оба зависят от управляющего напряжения между затвором и истоком. R_(DS)ON также очень сильно зависит от температуры кристалла. Будем считать, что для наших условий температура кристалла 25°C. Эта температура обычно указана в даташите как температура, при которой были измерены параметры транзистора. Для примера давайте заглянем в даташит транзистора IPD04N03LA (компания Infineon, технология MOSFET OptiMOS®).

Рис. 1. Первая страница даташита с общим описанием транзистора IPD04N03LA.

На первой странице даташита сразу бросается в глаза приведенное значение R_(DS)ON. Но условия, при которых это сопротивление истинно, здесь не указаны. Таким образом, это значение носит чисто неформальный характер, на него можно обратить внимание при первом взгляде на транзистор MOSFET. Его нельзя брать для сравнения FOM, потому что условия, в котором работает транзистор, не учитываются.

На следующих скриншотах показаны страницы, где имеются параметры R_(DS)ON, Q_G и условия их измерения.

Рис. 2. Температурные и статические параметры транзистора IPD04N03LA.	Рис. 3. Динамические параметры транзистора IPD04N03LA.

Выборка важных параметров транзисторов показана в таблице ниже.

На рис. 4 показаны различия в параметрах заряда затвора.

Рис. 4. Зависимость напряжения на затворе от заряда затвора.

Параметр Q_SW на рисунке также называется заряд переключения. Он прикладывается для V_GS между пороговым напряжением и первым нарастанием напряжения после плато. Во время этой фазы MOSFET меняет свое состояние от выключенного до включенного. Меньшее время включения получается, когда при этом переходе будут меньше потери. Другими словами - чем меньше заряд Q_SW, тем меньше потери на переключение. Сопротивление R_(DS)ON зависит от напряжения затвор-исток, и следовательно от общего заряда затвора, приложенного через V_GS. Общий заряд затвора и заряд переключения также зависит от напряжения сток-исток.

Можно взять самое маленькое указанное в даташите значение R_(DS)ON и умножить на самое маленькое указанное значение заряда затвора и получить приятно малое значение FOM. Однако оно мало скажет о реальном транзисторе MOSFET.

Реальное сравнение значений FOM можно делать только для одинаковых условий. Первое, что нужно выбрать - определиться с эксплуатационными напряжениями (затвор-исток V_GS, сток-исток V_DS), для которых вычисляется FOM. Эти напряжения зависят от параметров проектируемой схемы. Также нужно определиться, какую имененно характеристику FOM следует вычислить, Q_sw * R_(DS)ON или Q_G * R_(DS)ON. Другой важный аспект - выбор в правой колонке данных даташита – сравнивать типичные параметры или их максимальные значения? Поскольку политика определения максимальных значений у разных компаний-производителей различается, то лучший выбор - взять типовые (номинальные) значения, чтобы оценить эффективность применяемого транзистора.

Предположим, что значения даташита были даны для разных условий. В этом случае нужную информацию по выборке типичных значений следует взять из диаграмм, характеризующих изменение параметра. На рис. 5 дан пример получения Q_G из диаграммы зависимости напряжения на затворе и заряда затвора. Исходный параметр V_DS. Но на графике не указаны все значения V_DS. Для отстутствующих кривых делается оценочная прикидка по имеющимся значениям. На рис. 6 показаны графики зависимости R_(DS)ON (он напряжения на затворе V_GS и тока стока I_D).

Рис. 5. Типичный заряд затвора. V_GS=f(Q_gate), пульсирующий ток I_D=25A, параметр V_DD.

Рис. 6. Типичное сопротивление открытого состояния сток-исток. R_(DS)on=f(I_D), T_j=25°C, параметр V_GS.

Здесь также нужно будет сделать оценку нужного значения сопротивления канала для не указанных на графике условий. Также следует учесть тот факт, что на сопротивление канала влияет его ток, поэтому R_(DS)ON должен быть выбран для одного и того же тока стока I_D.

Итак, сравнение транзисторов MOSFET разных типов и от разных производителей можно делать по FOM, исходя из одинаковых предположительных условий эксплуатации. Формулы 2 и 3 описывают, как вычислять значения FOM.

FOM (V_GS, V_DS, I_D) = R_(DS)ON (V_GS, I_D) * Q_G (V_GS, V_DS)                     (2)

FOMsw (V_GS, V_DS, I_D) = R_(DS)ON (V_GS, I_D) * Q_sw (V_DS)                       (3)

В скобках указаны условия, которые нужно учитывать для выборки сопротивления открытого состояния канала сток-исток R_(DS)ON и заряда затвора Q_G или заряда переключения Q_SW:

V_GS напряжение затвор-исток (gate-source)
V_DS напряжение сток-исток (drain-sorce)
I_D ток стока (drain)

Важное замечание: для вычисления одного и того же вида параметров можно брать либо максимальные, либо номинальные значения для R_(DS)ON и Q_G.

[Ссылки]

1. How to Compare the Figure Of Merit (FOM) of MOSFETs, Infineon technologies, автор Jens Ejury.
2. Как работают транзисторы MOSFET.
3. Реле и транзисторы: как они работают в качестве электронных переключателей.