MOSFET的選型基礎

MOSFET廣泛使用在模擬電路與數字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于：首先驅動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。MOSFET需要的驅動(dòng)電流比BJT則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開(kāi)路TTL驅動(dòng)電路驅動(dòng)；其次MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因為沒(méi)有電荷存儲效應；另外MOSFET沒(méi)有二次擊穿失效機理，它在溫度越高時(shí)往往耐力越強，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內提供較好的性能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設備、智能手機以及其他便攜式數碼電子產(chǎn)品中隨處可見(jiàn)。

近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展，功率MOSFET更是備受關(guān)注。據預測，2010-2015年中國功率MOSFET市場(chǎng)的總體復合年度增長(cháng)率將達到13.7%。 雖然市場(chǎng)研究公司 iSuppli 表示由于宏觀(guān)的投資和經(jīng)濟政策和日本地震帶來(lái)的晶圓與原材料供應問(wèn)題，今年的功率MOSFET市場(chǎng)會(huì )放緩，但消費電子和數據處理的需求依然旺盛，因此長(cháng)期來(lái)看，功率MOSFET的增長(cháng)還是會(huì )持續一段相當長(cháng)的時(shí)間。

技術(shù)一直在進(jìn)步，功率MOSFET市場(chǎng)逐漸受到了新技術(shù)的挑戰。例如，業(yè)內有不少公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)GaN功率器件，并且斷言硅功率MOSFET的性能可提升的空間已經(jīng)非常有限。不過(guò)，GaN 對功率MOSFET市場(chǎng)的挑戰還處于非常初期的階段，MOSFET在技術(shù)成熟度、供應量等方面仍然占據明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，MOSFET市場(chǎng)也不會(huì )輕易被新技術(shù)迅速替代。

五年甚至更長(cháng)的時(shí)間內，MOSFET仍會(huì )占據主導的位置。MOSFET也仍將是眾多剛入行的工程師都會(huì )接觸到的器件，本期半月談將會(huì )從基礎開(kāi)始，探討MOSFET的一些基礎知識，包括選型、關(guān)鍵參數的介紹、系統和散熱的考慮等等；最后還會(huì )就一些最常見(jiàn)的熱門(mén)應用為大家做一些介紹。
MOSFET 的選型基礎

MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導通。導通時(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)內阻，稱(chēng)為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET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，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當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(chēng)之為漏電流，即IDSS。

作為電氣系統中的基本部件，工程師如何根據參數做出正確選擇呢？本文將討論如何通過(guò)四步來(lái)選擇正確的MOSFET。

1）溝道的選擇。為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

2）電壓和電流的選擇。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會(huì )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。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備(如電機或變壓器)誘發(fā)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。

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)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(gè)最大電流的器件便可。

3）計算導通損耗。MOSFET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(huì )隨之按比例變化。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

4）計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。
開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標。從下圖可以看到，導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò)，如果系統對開(kāi)關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。