MOSFET的選型基礎

 

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的柵極是個高阻抗端，因此，總 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 壓為零時
，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。

 

作為電氣係統中的基本部件，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四步來選擇正確的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。

 

 

2）電dian壓ya和he電dian流liu的de選xuan擇ze。額e定ding電dian壓ya越yue大da，器qi件jian的de成cheng本ben就jiu越yue高gao。根gen據ju實shi踐jian經jing驗yan，額e定ding電dian壓ya應ying當dang大da於yu幹gan線xian電dian壓ya或huo總zong線xian電dian壓ya。這zhe樣yang才cai能neng提ti供gong足zu夠gou的de保bao護hu
，使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。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(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。

 

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。

 

3）計算導通損耗。MOSFET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。

 

4）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) 確保係統不會失效。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境之間的熱阻
，以及最大的結溫。

 

開kai關guan損sun耗hao其qi實shi也ye是shi一yi個ge很hen重zhong要yao的de指zhi標biao。從cong下xia圖tu可ke以yi看kan到dao
，導dao通tong瞬shun間jian的de電dian壓ya電dian流liu乘cheng積ji相xiang當dang大da。一yi定ding程cheng度du上shang決jue定ding了le器qi件jian的de開kai關guan性xing能neng。不bu過guo
，如ru果guo係xi統tong對dui開kai關guan性xing能neng要yao求qiu比bi較jiao高gao，可ke以yi選xuan擇ze柵zha極ji電dian荷heQG比較小的功率MOSFET。

 

 

MOSFET應用案例解析

 

1.開關電源應用

 

從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關斷。同時，有數十種拓撲可用於開關電源，這裏考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依靠兩個MOSFET來執行開關功能(下圖)，這些開關交替在電感裏存儲能量，然後把能量開釋給負載。目前，設計職員經常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由於頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開關電源中第二重要的MOSFET參數包括輸出電容
、閾值電壓
、柵極阻抗和雪崩能量。

 

 

2.馬達控製應用

 

馬達控製應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應用領域。典型的半橋式控製電路采用2個MOSFET (全橋式則采用4個)，但這兩個MOSFET的關斷時間(死區時間)相等。對於這類應用，反向恢複時間(trr) 非常重要。在控製電感式負載(比如馬達繞組)時，控製電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態，此時橋式電路中的另一個開關經過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。於是，電流重新循環
，繼續為馬達供電。當第一個MOSFET再次導通時
，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。

 

3.汽車應用

 

過去的近20年裏

，汽車用功率MOSFET已經得到了長足發展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子係統中常遇到的掉載和係統能量突變等引起的 瞬態高壓現象，且其封裝簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時
，電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控製等應用已逐漸成為大多數汽車的標配

，在設計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、 螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發展壯大。

 

汽車設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻範圍。電機控製設備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號


；而在必須控製負載突卸和 突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅動負載；當行業標準轉移至42V電池係統時，則需采用75V技術。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型 款；至於400V以上的MOSFET器件則應用於發動機驅動器機組和高亮度放電（HID）前燈的控製電路。

 

汽車MOSFET驅動電流的範圍由2A至100A以上，導通電阻的範圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈

、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關頻率的範圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是
，電機控製不適用開關頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結點溫度極限下（-40度至175度
，有時高達200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

 

4. LED 燈具的驅動。

 

設計LED燈具的時候經常要使用MOS管，對LED恒流驅動而言

，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

，當電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導通。因此，設計時必須注意柵極驅動器負載能力必須足夠大
，以保證在係統要求的時間內完成對等效柵極電容(CEI)的充電。

 

而MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關係。使用者雖然無法降低Cin的值
，但可以降低柵極驅動回路信號源內阻Rs的值，從而減小柵極回路 的充放電時間常數
，加快開關速度一般IC驅動能力主要體現在這裏，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流IC。內置MOSFET的IC當然 不用我們再考慮了，一般大於1A電流會考慮外置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 的驅動能力,MOSFET輸入電容是關鍵的參數。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的峰值驅動輸出能力有關，可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動能力 Rg選擇在10-20Ω左右。

 

一般的應用中IC的驅動可以直接驅動MOSFET

，但是考慮到通常驅動走線不是直線
，感量可能會更大,並且為了防止外部幹擾
，還是要使用Rg驅動電阻進行抑製.考慮到走線分布電容的影響,這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

 

 

以上討論的是MOSFET ON狀態時電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態時為了保證柵極電荷快速瀉放
，此時阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以並聯一個二極管。當瀉放電阻過小
，由於走線電感的原因也會引起諧振(因此有些應用中也會在這個二極管上串一個小電阻)
，但是由於二極管的反向電流不導通,此時Rg又參與反向諧振回路,因此可以抑製反向諧振的尖峰。

 

估算導通損耗、輸出的要求和結區溫度的時候
，就可以參考前文所指出的方法。

 

MOSFET的應用領域非常廣泛，遠非一兩篇文章可以概括。

 

 

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