MOS管有兩大類型:N 溝道和 P 溝道。在功率系統(tǒng)中,MOS管可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在 N 溝道MOS管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MOS管的柵極是個(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?
MOS設(shè)計(jì)選型的幾個(gè)基本原則
1 電壓應(yīng)力
在電源電路應(yīng)用中,往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的 90% 。即:
VDS_peak≤ 90% * V(BR)DSS
注:一般地, V(BR)DSS 具有正溫度系數(shù)。故應(yīng)取設(shè)備最低工作溫度條件下之 V(BR)DSS 值作為參考。
2 漏極電流
其次考慮漏極電流的選擇。基本原則為 MOSFET 實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標(biāo)稱最大漏源電流的 90% ;漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標(biāo)稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即:
ID_max≤ 90% * ID
ID_pulse≤ 90% * IDP
注:一般地, ID_max及 ID_pulse 具有負(fù)溫度系數(shù),故應(yīng)取器件在最大結(jié)溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數(shù)的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境,散熱技術(shù),器件其它參數(shù)(如導(dǎo)通電阻,熱阻等)等相互制約影響所致。最終的判定依據(jù)是結(jié)點(diǎn)溫度(即如下第六條之“耗散功率約束”)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際應(yīng)用中規(guī)格書目中之 ID 會(huì)比實(shí)際最大工作電流大數(shù)倍,這是因?yàn)樯⒑墓β始皽厣拗萍s束。在初選計(jì)算時(shí)期還須根據(jù)下面第六條的散耗功率約束不斷調(diào)整此參數(shù)。建議初選于 3~5 倍左右 ID = (3~5)*ID_max 。
3 驅(qū)動(dòng)要求
MOSFEF 的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量( Qg )參數(shù)決定。在滿足其它參數(shù)要求的情況下,盡量選擇 Qg 小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源電壓( VGSS )前提下使 Ron 盡量小的電壓值(一般使用器件規(guī)格書中的建議值)
4 損耗及散熱
小的 Ron 值有利于減小導(dǎo)通期間損耗,小的 Rth 值可減小溫度差(同樣耗散功率條件下),故有利于散熱。
5 損耗功率初算
MOSFET 損耗計(jì)算主要包含如下 8 個(gè)部分:
PD= Pon+ Poff+ Poff_on+ Pon_off+ Pds+ Pgs+Pd_f+Pd_recover
詳細(xì)計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應(yīng)用場合,還要考慮體內(nèi)二極管正向?qū)ㄆ陂g的損耗和轉(zhuǎn)向截止時(shí)的反向恢復(fù)損耗。損耗計(jì)算可參考下文的“MOS管損耗的8個(gè)組成部分”部分。
6 耗散功率約束
器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD,max應(yīng)以器件最大工作結(jié)溫度限制作為考量依據(jù)。如能夠預(yù)先知道器件工作環(huán)境溫度,則可以按如下方法估算出最大的耗散功率:
PD,max≤ ( Tj,max- Tamb) / Rθj-a
其中 Rθj-a 是器件結(jié)點(diǎn)到其工作環(huán)境之間的總熱阻 , 包括 Rθjuntion-case,Rθcase-sink,Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進(jìn)去。
正確選擇MOS管是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié),MOS管選擇不好有可能影響到整個(gè)電路的效率和成本,了解不同的MOS管部件的細(xì)微差別及不同開關(guān)電路中的應(yīng)力能夠幫助工程師避免諸多問題,下面我們來學(xué)習(xí)下MOS管的正確的選擇方法。
第一步:選用N溝道還是P溝道
低壓側(cè)開關(guān)選N-MOS,高壓側(cè)開關(guān)選P-MOS
根據(jù)電路要求選擇確定VDS,VDS要大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù),使MOS管不會(huì)失效。
第二步:確定額定電流
額定電流應(yīng)是負(fù)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(shè)計(jì)人員必須確保所選的MOS管能承受這個(gè)額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。
MOS管并不是理想的器件,因?yàn)樵趯?dǎo)電過程中會(huì)有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。
MOS管在“導(dǎo)通”時(shí)就像一個(gè)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(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MOS管施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會(huì)越小;反之RDS(ON)就會(huì)越高。
第三步:確定熱要求
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個(gè)方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散,即按定義相等于I2×RDS(ON)。
第四步:決定開關(guān)性能
選擇MOS管的最后一步是決定MOS管的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)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(huì)在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗,因?yàn)樵诿看伍_關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOS管的開關(guān)速度因此被降低,器件效率也下降。
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