MOSFET選型注意事項與應用實例
MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于：首先驅動電路比較簡單。MOSFET需要的驅動電流比 BJT則小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開路TTL驅動電路驅動;其次MOSFET的開關速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因為沒有電 荷存儲效應;另外MOSFET沒有二次擊穿失效機理，它在溫度越高時往往耐力越強，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性 能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設備、智能手機以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見。
近年來，隨著汽車、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展，功率MOSFET更是備受關注。據(jù)預測，2010-2015年中國功率MOSFET市場的總體復合年度增長率將達到13.7%。雖然市場研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經(jīng)濟政策和日本地震帶來的晶圓與原材料供應問題，今年的功率MOSFET市場會放緩，但消費電子和數(shù)據(jù)處理的需求依然旺盛，因此長期來看，功率MOSFET的增長還是會持續(xù)一段相當長的時間。
技術一直在進步，功率MOSFET市場逐漸受到了新技術的挑戰(zhàn)。例如，業(yè)內(nèi)有不少公司已經(jīng)開始研發(fā)GaN功率器件，并且斷言硅功率MOSFET的性能可提 升的空間已經(jīng)非常有限。不過，GaN 對功率MOSFET市場的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段，MOSFET在技術成熟度、供應量等方面仍然占據(jù)明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，MOSFET市場 也不會輕易被新技術迅速替代。
五年甚至更長的時間內(nèi)，MOSFET仍會占據(jù)主導的位置。MOSFET也仍將是眾多剛入行的工程師都會接觸到的器件，本期半月談將會從基礎開始，探討MOSFET的一些基礎知識，包括選型、關鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等等;最后還會就一些最常見的熱門應用為大家做一些介紹。
MOSFET 的選型基礎
MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)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(jīng)開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)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 是要在柵極加上一個電壓。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?shù)臅r刻導通或關閉，導致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電 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(jīng)關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。
作為電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師如何根據(jù)參數(shù)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，而負載連接到干線電 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,這是出于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,這也是出于對電壓驅動的考慮。
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(jù)實踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET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(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(xù)導通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。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)，而對于工業(yè)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。關于RDS(ON)電 阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術資料表中查到。
4)計算系統(tǒng)的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個結果提供更大的安全余量，能 確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù);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。
開關損耗其實也是一個很重要的指標。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關性能。不過，如果系統(tǒng)對開關性能要求比較高，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(shù)十種拓撲可用于開關電源，這里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(zhí)行開關功能(下圖)，這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負載。目前，設計職員經(jīng)常選擇數(shù)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。開關電源中第二重要的MOSFET參數(shù)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應用領域。典型的半橋式控制電路采用2個MOSFET (全橋式則采用4個)，但這兩個MOSFET的關斷時間(死區(qū)時間)相等。對于這類應用，反向恢復時間(trr)非常重要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達供電。當?shù)谝粋€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年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的 瞬態(tài)高壓現(xiàn)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制等應用已逐漸成為大多數(shù)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(fā)展壯大。
汽車設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號;而在必須控制負載突卸和 突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅動負載;當行業(yè)標準轉移至42V電池系統(tǒng)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;至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動機驅動器機組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。
汽車MOSFET驅動電流的范圍由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、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關頻率的范圍通常為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(jīng)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，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)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系。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(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路 的充放電時間常數(shù)，加快開關速度一般IC驅動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當然 不用我們再考慮了，一般大于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(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。
一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)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，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅動電阻進行抑制。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(tài)時電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)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上可以并聯(lián)一個二極管。當瀉放電阻過小，由于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)，但是由于二極管的反向電流不導通，此時Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。
估算導通損耗、輸出的要求和結區(qū)溫度的時候，就可以參考前文所指出的方法。
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