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开发设计人员如何 正确选用MOSFET
来源:1 日期:2013-9-26 浏览次数: 2330

MOSFET有两大类型: N沟道和P沟道。在功率系统 中,MOSFET可被看成电气开关 。当在N沟道MOSFET的栅极和源极间加 上正电压时,其开关导通。导通时,电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。必须清楚 MOSFET的栅极是个高阻抗 端,因此,总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当的时刻导通或关闭,导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然 这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。

随着制造技术的发 展和进步,系统设计人员必须跟上技术的发展步伐,才能为其设计挑选最合适的电子器件。MOSFET是电气系统中的基 本部件,工程师需要深入了解它的关键特性及指标才能做出正确选择。本文将讨论如何根据RDS(ON)、热性能、雪崩击 穿电压及开关性能指标来选择正确的MOSFET。


第一步:选用 N沟道还是P沟道


为设计选择正确器 件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应 用中,当一个MOSFET接地,而负载连接 到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开 关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭 或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载 接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电 压驱动的考虑。


要选择适合应用的 器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压,或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大,器件的成本就越高。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或总线电压 。这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。就选择 MOSFET而言,必须确定漏 极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压 会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器 )诱发的电压瞬变。 不同应用的额定电压也有所不同;通常,便携式设备为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC应用为450~600V。


第二步:确定额定 电流


第二步是选择 MOSFET的额定电流。视电 路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电 流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电 流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流 )流过器件。一旦确 定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。


选好额定电流后, 还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件 ,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像 一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度 而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电 阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压 VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之 RDS(ON)就会越高。对系统 设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计 ,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻 微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参 数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。


技术对器件的特性 有着重大影响,因为有些技术在提高最大VDS时往往会使 RDS(ON)增大。对于这样的 技术,如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶 片尺寸,从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术,其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。


在沟道技术中,晶 片中嵌入了一个深沟,通常是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大 VDS对RDS(ON)的影响,开发过程 中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如 ,飞兆半导体开发了称为SuperFET的技术,针对 RDS(ON)的降低而增加了额 外的制造步骤。这种对RDS(ON)的关注十分重要, 因为当标准MOSFET的击穿电压升高时 ,RDS(ON)会随之呈指数级增 加,并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指 数关系变成了线性关系。这样,SuperFET器件便可在小晶片 尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理 想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸 可减小达35%。而对于最终用户 来说,这意味着封装尺寸的大幅减小。


第三步:确定热要 求


选择MOSFET的下一步是计算系 统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一 些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。


器件的结温等于最 大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度 +[热阻×功率耗散 ])。根据这个方程可 解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已 确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是, 在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳 /环境的热容量;即 要求印刷电路板和封装不会立即升温。


雪崩击穿是指半导 体器件上的反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。计算额定 雪崩电压有两种方法;一是统计法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其器件测试的详情,如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”(见)。除计算 外,技术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这意味着要在系统中采用更大的封装件。


第四步:决定开关 性能


选择MOSFET的最后一步是决定 MOSFET的开关性能。影响 开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极 /源极及漏极 /源极电容。这些电 容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被 降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损 耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用 如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅 极电荷(Qgd)对开关性能的影响 最大。


基于开关性能的重 要性,新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗,新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生,旨在减少栅极电荷。举例说,SuperFET这种新技术就可通 过降低RDS(ON)和栅极电荷 (Qg),最大限度地减少 传导损耗和提高开关性能。这样,MOSFET就能应对开关过程 中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变 (di/dt),甚至可在更高的 开关频率下可靠地工作。

结论


通过了解MOSFET的类型及了解和决 定它们的重要性能特点,设计人员就能针对特定设计选择正确的MOSFET。由于MOSFET是电气系统中最基 本的部件之一,选择正确的MOSFET对整个设计是否成 功起着关键的作用。

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