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如何正確的選擇MOSFET

發(fā)布時間:2011-01-06

中心議題:

  • 如何正確的選擇MOSFET

解決方案:

  • 選用N溝道還是P溝道
  • 確定額定電流
  • 確定熱要求
  • 決定開關性能


MOSFET是電氣系統(tǒng)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(jù)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。

第一步:選用N溝道還是P溝道
  
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。
  
下一步是確定MOSFET所需的額定電壓,或者器件所能承受的最大電壓。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。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必須在整個工作溫度范圍內測試電壓的變化范圍。額定電壓必須要有足夠的余量覆蓋這個變化范圍,確保電路不會失效。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。

第二步:確定額定電流
  
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,即使在系統(tǒng)產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。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。選好額定電流后,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOSFET并不是理想的器件,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,并隨溫度而顯著變化。器件功率耗損可由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MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會要折中權衡的地方。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。
  
第三步:確定熱要求
  
選擇MOSFET的下一步是計算系統(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。  

器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于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,設計人員還要考慮半導體結/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。

第四步:決定開關性能

影響開關性能的參數(shù)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。

基于開關性能的重要性,新的技術正在不斷開發(fā)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(jīng)應運而生,旨在減少柵極電荷。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。

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