MOSFET選型注意事項與應(yīng)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(qū)動電路比較簡單。MOSFET需要的驅(qū)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(qū)動電路驅(qū)動;其次MOSFET的開關(guān)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(yīng);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(yīng)用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設(shè)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(yīng)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(guān)注。據(jù)預(yù)測，2010-2015年中國功率MOSFET市場的總體復(fù)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(yīng)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(dāng)長的時間。
技術(shù)一直在進步，功率MOSFET市場逐漸受到了新技術(shù)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(shù)成熟度、供應(yīng)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(shù)迅速替代。
五年甚至更長的時間內(nèi)，MOSFET仍會占據(jù)主導(dǎo)的位置。MOSFET也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩佑|到的器件，本期半月談將會從基礎(chǔ)開始，探討MOSFET的一些基礎(chǔ)知識，包括選型、關(guān)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(yīng)用為大家做一些介紹。
MOSFET 的選型基礎(chǔ)
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(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關(guān)導(dǎo) 通。導(dǎo)通時，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻，稱為導(dǎo)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(shè)計意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電 壓為零時，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)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(shè)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(yīng)用中，當(dāng)一個MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電 壓上時，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到 總線及負(fù)載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)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(yīng)當(dāng)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(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機 或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同;通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V。
在連續(xù)導(dǎo)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(dǎo)通損耗。MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導(dǎo)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(shè)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(shè)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(guān)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(shù)資料表中查到。
4)計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)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(jié)果，因為這個結(jié)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(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
開關(guān)損耗其實也是一個很重要的指標(biāo)。從下圖可以看到，導(dǎo)通瞬間的電壓電流乘積相當(dāng)大。一定程度上決定了器件的開關(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對開關(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(yīng)用案例解析
1. 開關(guān)電源應(yīng)用
從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)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(zhuǎn)換器依靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關(guān)功能(下圖)，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負(fù)載。目前，設(shè)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(guān)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(yīng)用
馬達控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應(yīng)用領(lǐng)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(guān)斷時間(死區(qū)時間)相等。對于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時間(trr)非常重要。在控制電感式負(fù)載(比如馬達繞組)時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達供電。當(dāng)?shù)谝粋€MOSFET再次導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)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(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機控制設(shè)備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號;而在必須控制負(fù)載突卸和 突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅(qū)動負(fù)載;當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款;至于400V以上的MOSFET器件則應(yīng)用于發(fā)動機驅(qū)動器機組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。
汽車MOSFET驅(qū)動電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負(fù)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(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)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(qū)動。
設(shè)計LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅(qū)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(dǎo)通之前要先對該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計時必須注意柵極驅(qū)動器負(fù)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(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅(qū)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(guān)速度一般IC驅(qū)動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)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(qū)動能力，MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)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(qū)動輸出能力有關(guān)，可以近似認(rèn)為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動能力 Rg選擇在10-20Ω左右。
一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動可以直接驅(qū)動MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)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(qū)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(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)通損耗、輸出的要求和結(jié)區(qū)溫度的時候，就可以參考前文所指出的方法。
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