MOSFET選型注意事項(xiàng)與應(yīng)用實(shí)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(shì)在于：首先驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。MOSFET需要的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路驅(qū)動(dòng);其次MOSFET的開關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因?yàn)闆]有電 荷存儲(chǔ)效應(yīng);另外MOSFET沒有二次擊穿失效機(jī)理，它在溫度越高時(shí)往往耐力越強(qiáng)，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(fèi)電子、工業(yè)產(chǎn)品、機(jī)電設(shè)備、智能手機(jī)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(fèi)、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(cè)，2010-2015年中國(guó)功率MOSFET市場(chǎng)的總體復(fù)合年度增長(zhǎng)率將達(dá)到13.7%。雖然市場(chǎng)研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經(jīng)濟(jì)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(chǎng)會(huì)放緩，但消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)處理的需求依然旺盛，因此長(zhǎng)期來看，功率MOSFET的增長(zhǎng)還是會(huì)持續(xù)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
技術(shù)一直在進(jìn)步，功率MOSFET市場(chǎng)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(duì)功率MOSFET市場(chǎng)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(shì)，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，MOSFET市場(chǎng) 也不會(huì)輕易被新技術(shù)迅速替代。
五年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，MOSFET仍會(huì)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?huì)接觸到的器件，本期半月談將會(huì)從基礎(chǔ)開始，探討MOSFET的一些基礎(chǔ)知識(shí)，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(huì)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(shí)，其開關(guān)導(dǎo) 通。導(dǎo)通時(shí)，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(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總 是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)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(shí)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時(shí)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(jì)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(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電 壓上時(shí)，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(duì)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(shí)，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(hù)，使MOSFET不 會(huì)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(jì)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(jī) 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(shí)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(gè)最大電流的器件便可。
3)計(jì)算導(dǎo)通損耗。MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)便攜 式設(shè)計(jì)來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)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(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能 確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)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(shí)也是一個(gè)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(duì)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(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠?jī)蓚€(gè)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(chǔ)能量，然后把能量開釋給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)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(dá)控制應(yīng)用
馬達(dá)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制電路采用2個(gè)MOSFET (全橋式則采用4個(gè))，但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間(死區(qū)時(shí)間)相等。對(duì)于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時(shí)間(trr)非常重要。在控制電感式負(fù)載(比如馬達(dá)繞組)時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達(dá)供電。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)MOSFET再次導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲(chǔ)的電荷必須被移除，通過第一個(gè)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(zhǎng)足發(fā)展。選用功率MOSFET是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷囯娮酉到y(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(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時(shí)，電動(dòng)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(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、 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(jī)控制設(shè)備橋接配置會(huì)使用30V和40V擊穿電壓型號(hào);而在必須控制負(fù)載突卸和 突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì)使用60V裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載;當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時(shí)，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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。
汽車MOSFET驅(qū)動(dòng)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(jī)、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(jī)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(diǎn)溫度極限下(-40度至175度，有時(shí)高達(dá)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(dòng)。
設(shè)計(jì)LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)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(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時(shí)MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)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(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路 的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動(dòng)能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動(dòng)恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然 不用我們?cè)倏紤]了，一般大于1A電流會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右。
一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動(dòng)走線不是直線，感量可能會(huì)更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行抑制。考慮到走線分布電容的影響，這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。
以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)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(gè)二極管。當(dāng)瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會(huì)引起諧振(因此有些應(yīng)用中也會(huì)在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻)，但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通，此時(shí)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(shí)候，就可以參考前文所指出的方法。
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