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2024/04/15

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场效应管(MOSFET)如何选型呢?

一、MOSFET简介

场效应管(MOSFET)也叫场效应晶体管,是一种单极型的电压控制器件,不但有自关断能力,而且具备输入电阻高、噪声小、功耗低、驱动功率小、开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,MOSFET在组合逻辑电路、放大器电源管理、测量仪器等领域应用广泛。

MOSFET按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道,同时又有耗尽型和增强型之分,目前市场主要应用 N 沟道增强型。

MOSFET经历了3次器件结构上的技术革新:沟槽型、超级结、屏蔽栅。

每一次器件结构的进化,在某些单项技术指标上产品性能得到质的飞跃,大幅拓宽产品的应用领域。

(1)平面型功率MOSFET: 诞生于1970s,具备易于驱动,工作效率高的优点,但芯片面积相对较大,损耗较高。

(2)沟槽型功率MOSFET: 诞生于1980s,易于驱动,工作效率高,热稳定性好,损耗低,但耐压低。

(3)超结功率MOSFET: 诞生于1990s,易于驱动,频率超高、损耗极低,最新一代功率器件。

(4)屏蔽栅功率MOSFET: 诞生于2000s,打破了硅材料极限,大幅降低了器件的导通电阻和开关损耗。

MOSFET可广泛应用在电源、网通、通信、安防、马达驱动、工业控制汽车电子、医疗设备、照明、HID电子镇流器、隔离器、充电器、消费电子电脑及周边等电子产品和应用领域。拓墣产业研究院发布了一份关于MOSFET市场的研究,认为随着市场需求的提升,2022年整体MOSFET市场规模首度达到100亿美元。

二、MOSFET主要参数和选型

MOSFET的主要参数有Id(最大漏源电流)、Idm(最大脉冲漏源电流)、Vgs(最大栅源电压)、V(BR)DSS(漏源击穿电压)、Rds(on)(导通电阻) 、Vth(阈值电压)等。

在做器件选型时,主要从以下几个方面考虑:

1、是N-MOS还是P-MOS:N-MOS性价比高

(1)从电路结构上看,低压侧开关选N-MOS,高压侧开关选P-MOS;

(2)从成本和便利性上看,N沟道MOSFET选择的型号多,物料成本低;P沟道MOSFET选择的型号较少,物料成本高;

(3)从性能上看,NMOS导通电阻小,发热量更低,允许通过的电流大,应用场景也更广泛,正激,反激、推挽、半桥、全桥等拓扑电路都能应用。

2、选取封装类型:SMT器件生产效率高

(1)温升和热设计是选取封装最基本的要求,基本原则就是在保证MOSFET的温升和系统效率的前提下,选取参数和封装更通用的型号;

(2)系统的结构尺寸限制;

(3)功耗或散热方面的需求;

(4)生产、装配、维修的效率和便利性。

3、选取耐压BVdss:预留足够的余量

(1)产品的额定电压是固定的,MOSFET的耐压选取也就比较容易,由于BVdss具有正温度系数,在实际的应用中要结合这些因素综合考虑。

(2)VDS中的最高尖峰电压如果大于BVdss,即便这个尖峰脉冲电压的持续只有几个或几十个ns,MOSFET管也会进入雪崩击穿状态而发生损坏。

(3)因此MOSFET管的雪崩电压通常发生在1.2~1.3倍的BVDSS,而且持续的时间通常都是μs、甚至ms级,因此在选择BVdss时需要留有足够的余量。

4、选取Id电流:预留足够的余量

(1)Id电流代表MOSFET能流过的最大电流,反映带负载能力,超过这个值可能会因为超负荷导致MOSFET损坏。

(2)Id电流参数选择时,需要考虑连续工作电流和电涌带来的尖峰电流,确保MOSFET能够承受最大的电流值。

(3)Id电流具有负温度系数,电流值会随着结温度升高而降低,因此应用时需要考虑的其在高温时的 Id值能否符合要求。

5、选取栅极阈值电压Vth:需结合电路需求选择

(1)Vth是指当源极与漏极之间有指定电流时,栅极使用的电压;

(2)Vth具有负温度系数,选择参数时需要考虑。

(3)不同电子系统选取MOSFET管的阈值电压Vth并不相同,需要根据系统的驱动电压,选取合适阈值电压的MOSFET管。

(4)阈值电压越高抗干扰性能越强,可以减少尖峰脉冲造成的电路误触发。

6、选取导通电阻Rds(on):越低越好

(1)Rds(on)和导通损耗直接相关,RDSON越小,功率MOSFET的导通损耗越小、效率越高、工作温升越低。

(2)Rds(on)时正温度系数,会随着MOSFET温度升高而变大,也就是Rds(on)电阻值会随着电流增大轻微上升,因此选择时需要留有余量。

(3)Rds(on)低的MOSFET通常成本比较高,可以通过优化驱动电路,改进散热等方式,选用Rds(on)较大一些的的低成本器件。

7、选取寄生电容/栅电荷:Ciss、Coss、Crss;Qg、Qgd、Qoss:越小越好

(1)影响开关性能参数,最重要的是Ciss、Coss和Crss的电容,这些电容在工作时重复充放电产生开关损耗,导致MOSFET开关速度下降,效率降低。

(2)栅电荷反映存储在端子间的电荷,在开关电路工作时,电容上的电荷会随着电压变化,因此设计栅极驱动电路时需要考虑栅极电荷的影响。

8、热设计:按照最坏情况来设计

(1)确保MOSFET工作在开关状态,关注封装的半导体结与环境之间的热阻,以及最高的结温。

(2)设计人员需充分考虑最坏情况和真实情况,建议采用针对最坏情况的计算结果,确保系统不会失效。

(3)如果系统允许,尽量加大散热器尺寸和选用更好的散热方式,提升系统工作稳定性。

9、其他:

MOSFET选型时还需要关注开关时间(ton、toff)、内部寄生二极管、低频跨导 gm等参数。


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