關(guān)于MOS管功率選型分析

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(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)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(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)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(chǎng)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(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)力能夠幫助工程師避免諸多問(wèn)題，下面我們來(lái)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(kāi)關(guān)選N-MOS，高壓側(cè)開(kāi)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(guò)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(duì)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(kāi)關(guān)性能

選擇MOS管的最后一步是決定MOS管的開(kāi)關(guān)性能。影響開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗，因?yàn)樵诿看伍_(kāi)關(guān)時(shí)都要對(duì)它們充電。MOS管的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。