MOSFET的選型基礎

 

MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導 通。導通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內阻，稱(chēng)為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總 是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電 壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱(chēng)之為漏電流，即IDSS。

 

作為電氣系統中的基本部件，工程師如何根據參數做出正確選擇呢？本文將討論如何通過(guò)四步來(lái)選擇正確的MOSFET。

 

1）溝道的選擇。為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電 壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到 總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

 

 

2）電壓和電流的選擇。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不 會(huì )失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備(如電機 或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。

 

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

 

3）計算導通損耗。MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對便攜 式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電 阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

 

4）計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能 確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

 

開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標。從下圖可以看到，導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò)，如果系統對開(kāi)關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。

 

 

MOSFET應用案例解析

 

1.開(kāi)關(guān)電源應用

 

從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關(guān)斷。同時(shí)，有數十種拓撲可用于開(kāi)關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依靠?jì)蓚€(gè)MOSFET來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能(下圖)，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量開(kāi)釋給負載。目前，設計職員經(jīng)常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

 

 

2.馬達控制應用

 

馬達控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應用領(lǐng)域。典型的半橋式控制電路采用2個(gè)MOSFET (全橋式則采用4個(gè))，但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間(死區時(shí)間)相等。對于這類(lèi)應用，反向恢復時(shí)間(trr) 非常重要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續為馬達供電。當第一個(gè)MOSFET再次導通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過(guò)第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。

 

3.汽車(chē)應用

 

過(guò)去的近20年里，汽車(chē)用功率MOSFET已經(jīng)得到了長(cháng)足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車(chē)電子系統中常遇到的掉載和系統能量突變等引起的 瞬態(tài)高壓現象，且其封裝簡(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時(shí)，電動(dòng)車(chē)窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數汽車(chē)的標配，在設計中需要類(lèi)似的功率器件。在這期間，隨著(zhù)電機、 螺線(xiàn)管和燃油噴射器日益普及，車(chē)用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

 

汽車(chē)設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會(huì )使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和 突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì )使用60V裝置驅動(dòng)負載；當行業(yè)標準轉移至42V電池系統時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型 款；至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)器機組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。

 

汽車(chē)MOSFET驅動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門(mén)、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開(kāi)關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結點(diǎn)溫度極限下（-40度至175度，有時(shí)高達200度）的工作狀況，以及超越汽車(chē)使用壽命的高可靠性。

 

4. LED 燈具的驅動(dòng)。

 

設計LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅動(dòng)而言，一般使用NMOS。功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過(guò)閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開(kāi)始導通。因此，設計時(shí)必須注意柵極驅動(dòng)器負載能力必須足夠大，以保證在系統要求的時(shí)間內完成對等效柵極電容(CEI)的充電。

 

而MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無(wú)法降低Cin的值，但可以降低柵極驅動(dòng)回路信號源內阻Rs的值，從而減小柵極回路 的充放電時(shí)間常數，加快開(kāi)關(guān)速度一般IC驅動(dòng)能力主要體現在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動(dòng)恒流IC。內置MOSFET的IC當然 不用我們再考慮了，一般大于1A電流會(huì )考慮外置MOSFET.為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適 的驅動(dòng)能力,MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。

 

 

一般IC的PWM OUT輸出內部集成了限流電阻，具體數值大小同IC的峰值驅動(dòng)輸出能力有關(guān)，可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右。

 

一般的應用中IC的驅動(dòng)可以直接驅動(dòng)MOSFET，但是考慮到通常驅動(dòng)走線(xiàn)不是直線(xiàn)，感量可能會(huì )更大,并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅動(dòng)電阻進(jìn)行抑制.考慮到走線(xiàn)分布電容的影響,這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

 

 

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個(gè)二極管。當瀉放電阻過(guò)小，由于走線(xiàn)電感的原因也會(huì )引起諧振(因此有些應用中也會(huì )在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻)，但是由于二極管的反向電流不導通,此時(shí)Rg又參與反向諧振回路,因此可以抑制反向諧振的尖峰。

 

估算導通損耗、輸出的要求和結區溫度的時(shí)候，就可以參考前文所指出的方法。

 

MOSFET的應用領(lǐng)域非常廣泛，遠非一兩篇文章可以概括。

 

 

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