MOS場效應(yīng)管的選型方法詳解

近年來，隨著汽車、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應(yīng)用場效應(yīng)管產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展，功率場效應(yīng)管更是備受關(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(dá)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，今年的功率場效應(yīng)管市場會放緩，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，功率場效應(yīng)管的增長還是會持續(xù)一段相當(dāng)長的時間。

一.場效應(yīng)管的基礎(chǔ)選型

場效應(yīng)管有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，場效應(yīng)管可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道場效應(yīng)管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)。必須清楚場效應(yīng)管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場效應(yīng)管。

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溝道場效應(yīng)管。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個場效應(yīng)管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時，該場效應(yīng)管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道場效應(yīng)管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)場效應(yīng)管連接到總線及負(fù)載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道場效應(yīng)管，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，使場效應(yīng)管不會失效。就選擇場效應(yīng)管而言，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，場效應(yīng)管處于穩(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。場效應(yīng)管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。

需要提醒設(shè)計人員，一般來說MOS管規(guī)格書標(biāo)注的Id電流是MOS管芯片的最大常態(tài)電流，實際使用時的最大常態(tài)電流還要受封裝的最大電流限制。因此客戶設(shè)計產(chǎn)品時的最大使用電流設(shè)定要考慮封裝的最大電流限制。建議客戶設(shè)計產(chǎn)品時的最大使用電流設(shè)定更重要的是要考慮MOS管的內(nèi)阻參數(shù)。

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。在場效應(yīng)管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。

場效應(yīng)管的選型及應(yīng)用概覽

以上就是場效應(yīng)管的選擇方法概述，要運用好場效應(yīng)管，就需要設(shè)計人員有較高的專業(yè)知識和項目經(jīng)驗。

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