四大步骤教你轻松选对MOSFET

2020-01-08 作者:bck体育app怎么下载 100

MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統中,MOSFET可被看成電氣開關。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱為導通電阻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,器件將不能按設計意圖工作,bck体育app怎么下载并可能在不恰當的時刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,開關關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。

要選擇適合應用的器件,必須確定驅動器件所需的電壓,以及在設計中最簡易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓,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。根據實踐經驗,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。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍,確保電路不會失效。設計工程師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)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應用為450~600V。

第二步是選擇MOSFET的額定電流。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,即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下,MOSFET處于穩態,此時電流連續通過器件。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。器件的功率耗損可由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)就會越高。對系統設計人員來說,這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。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變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

在溝道技術中,晶片中嵌入了一個深溝,通常是為低電壓預留的,用于降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響,開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如,飛兆半導體開發了稱為SuperFET的技術,針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要,因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時,RDS(ON)會隨之呈指數級增加,并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關系變成了線性關系。這樣,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達到600V的情況下,實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶來說,這意味著封裝尺寸的大幅減小。

選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關性能。影響開關性能的參數有很多,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應運而生,旨在減少柵極電荷。舉例說,SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg),最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。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。