隨著製造技術的發展和進步，係統設計人員必須跟上技術的發展步伐，才能為其設計挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣係統中的基本部件，工程師需要深入了解它的關鍵特性及指標才能做出正確選擇。本文將討論如何根據RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關性能指標來選擇正確的MOSFET。

 

MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率係統中
，MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的(de)柵(zha)極(ji)是(shi)個(ge)高(gao)阻(zu)抗(kang)端(duan)，因(yin)此(ci)，總(zong)是(shi)要(yao)在(zai)柵(zha)極(ji)加(jia)上(shang)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)。如(ru)果(guo)柵(zha)極(ji)為(wei)懸(xuan)空(kong)，器(qi)件(jian)將(jiang)不(bu)能(neng)按(an)設(she)計(ji)意(yi)圖(tu)工(gong)作(zuo)
，並(bing)可(ke)能(neng)在(zai)不(bu)恰(qia)當(dang)的(de)時(shi)刻(ke)導(dao)通(tong)或(huo)關(guan)閉(bi)
，導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)產(chan)生(sheng)潛(qian)在(zai)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)。當(dang)源(yuan)極(ji)和(he)柵(zha)極(ji)間(jian)的(de)電(dian)壓(ya)為(wei)零(ling)時(shi)，開(kai)關(guan)關(guan)閉(bi)
，而(er)電(dian)流(liu)停(ting)止(zhi)通(tong)過(guo)器(qi)件(jian)。雖(sui)然(ran)這(zhe)時(shi)器(qi)件(jian)已(yi)經(jing)關(guan)閉(bi)，但(dan)仍(reng)然(ran)有(you)微(wei)小(xiao)電(dian)流(liu)存(cun)在(zai)，這(zhe)稱(cheng)之(zhi)為(wei)漏(lou)電(dian)流(liu)，即(ji)IDSS。

 

 

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MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時
，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET，這是出於對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET
，這也是出於對電壓驅動的考慮。

 

yaoxuanzeshiheyingyongdeqijian，bixuquedingqudongqijiansuoxudedianya，yijizaishejizhongzuijianyizhixingdefangfa。xiayibushiquedingsuoxudeedingdianya，huozheqijiansuonengchengshoudezuidadianya。edingdianyayueda
，qijiandechengbenjiuyuegao。genjushijianjingyan，edingdianyayingdangdayuganxiandianyahuozongxiandianya。zheyangcainengtigongzugoudebaohu，shiMOSFET不會失效。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。知道MOSFETnengchengshoudezuidadianyahuisuiwenduerbianhuazhedianshifenzhongyao。shejirenyuanbixuzaizhenggegongzuowendufanweineiceshidianyadebianhuafanwei。edingdianyabixuyouzugoudeyuliangfugaizhegebianhuafanwei
，quebaodianlubuhuishixiao。shejigongchengshixuyaokaolvdeqitaanquanyinsubaokuoyoukaiguandianzishebei(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。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。

 

 

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在係統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈衝尖峰。在連續導通模式下，MOSFET處於穩態
，此時電流連續通過器件。脈衝尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流
，隻需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

 

選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，並隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由於導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越小

；反之RDS(ON)就會越高。對係統設計人員來說，這就是取決於係統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對於工業設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。

 

技術對器件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對於這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那(na)麼(me)就(jiu)得(de)增(zeng)加(jia)晶(jing)片(pian)尺(chi)寸(cun)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)與(yu)之(zhi)配(pei)套(tao)的(de)封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)及(ji)相(xiang)關(guan)的(de)開(kai)發(fa)成(cheng)本(ben)。業(ye)界(jie)現(xian)有(you)好(hao)幾(ji)種(zhong)試(shi)圖(tu)控(kong)製(zhi)晶(jing)片(pian)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)的(de)技(ji)術(shu)，其(qi)中(zhong)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)是(shi)溝(gou)道(dao)和(he)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)技(ji)術(shu)。

 

在溝道技術中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用於降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發了稱為SuperFET的技術，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的製造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數級增加，並且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣
，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下
，實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對於最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

 

選擇MOSFET的de下xia一yi步bu是shi計ji算suan係xi統tong的de散san熱re要yao求qiu。設she計ji人ren員yuan必bi須xu考kao慮lv兩liang種zhong不bu同tong的de情qing況kuang，即ji最zui壞huai情qing況kuang和he真zhen實shi情qing況kuang。建jian議yi采cai用yong針zhen對dui最zui壞huai情qing況kuang的de計ji算suan結jie果guo，因yin為wei這zhe個ge結jie果guo提ti供gong更geng大da的de安an全quan餘yu量liang
，能neng確que保bao係xi統tong不bu會hui失shi效xiao。在zaiMOSFET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境之間的熱阻，以及最大的結溫。

 

器件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出係統的最大功率耗散，即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於設計人員已確定將要通過器件的最大電流
，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

 

xuebengjichuanshizhibandaotiqijianshangdefanxiangdianyachaoguozuidazhi
，bingxingchengqiangdianchangshiqijianneidianliuzengjia。gaidianliujianghaosangonglv

，shiqijiandewendushenggao，erqieyoukenengsunhuaiqijian。bandaotigongsidouhuiduiqijianjinxingxuebengceshi

，jisuanqixuebengdianya
，huoduiqijiandewenjianxingjinxingceshi。jisuanedingxuebengdianyayouliangzhongfangfa
；一是統計法
，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。

 

不少公司都有提供其器件測試的詳情，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網站去下載）。除(chu)計(ji)算(suan)外(wai)
，技(ji)術(shu)對(dui)雪(xue)崩(beng)效(xiao)應(ying)也(ye)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)。例(li)如(ru)
，晶(jing)片(pian)尺(chi)寸(cun)的(de)增(zeng)加(jia)會(hui)提(ti)高(gao)抗(kang)雪(xue)崩(beng)能(neng)力(li)

，最(zui)終(zhong)提(ti)高(gao)器(qi)件(jian)的(de)穩(wen)健(jian)性(xing)。對(dui)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)而(er)言(yan)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)要(yao)在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)采(cai)用(yong)更(geng)大(da)的(de)封(feng)裝(zhuang)件(jian)。

 

 

選擇MOSFET的最後一步是決定MOSFET的開關性能。影響開關性能的參數有很多
，但最重要的是柵極/漏極
、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低
，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗
，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。

 

基於開關性能的重要性，新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷
；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關損耗，新的技術如溝道厚底氧化已經應運而生，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)

，最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣，MOSFET就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。