【圖文】電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)如何選擇最優(yōu)MOSFET？-KIA MOS管

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）主要用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，具有高電壓和高電流的特點(diǎn)。它們具有更高的效率和更優(yōu)良的高速開(kāi)關(guān)能力，因此成為電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)中的最佳選擇。我們來(lái)看一些篩選標(biāo)準(zhǔn)，以便為電力電子解決方案選擇合適的MOSFET。

邏輯開(kāi)關(guān)的行為參數(shù)

不管給定項(xiàng)目使用什么邏輯（和模擬）電平，都會(huì)有不同的閾值來(lái)清楚地判定設(shè)備的飽和或關(guān)斷。換句話說(shuō)，這些值精確地定義了邏輯電平在高或低時(shí)的操作。通常，在高低電平之間需要一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，以確保兩電平之間的過(guò)渡不會(huì)太突然。如圖1所示，該區(qū)域被定義為“非法”或“不確定”區(qū)域。

圖1：通用MOSFET的邏輯電平

●VGS（th）（min）是MOSFET關(guān)斷的柵極電壓值。

●VGS（th）（max）是MOSFET導(dǎo)通的柵極電壓值。

通常，最小柵極電壓（對(duì)于5V正邏輯）在0.5V至1V之間。那些高于最大閾值的柵極電壓會(huì)導(dǎo)通MOSFET。在最小柵極電壓的最高點(diǎn)和最大柵極電壓的最低點(diǎn)之間的電壓可能讓MOSFET或?qū)ɑ蜿P(guān)斷。

因此必須避免達(dá)到些電壓值，它們表示著MOSFET處在不確定區(qū)域，并且無(wú)法預(yù)測(cè)MOSFET的性能。因此，有必要在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)的邏輯之前研究每個(gè)器件的柵極工作狀況。

在圖2中，您可以看到一個(gè)經(jīng)典的電路圖，該圖提供了一個(gè)用96 V電壓供電的8Ω負(fù)載。在這種情況下，MOSFET用作電子開(kāi)關(guān)，并且可以通過(guò)合適的電源驅(qū)動(dòng) “柵極”來(lái)激活。對(duì)于UnitedSiC UF3C065080T3S，能夠提供給“柵極”的電壓范圍為–25 V至25V。

圖2：電子開(kāi)關(guān)的通用框圖

現(xiàn)在，觀察負(fù)載R1上流過(guò)的電流，并根據(jù)柵極電壓，看看MOSFET的導(dǎo)通如何工作。如圖3所示的相對(duì)圖形中，“柵極”電壓在–25 V至5.8 V之間時(shí)，該元件保持關(guān)斷狀態(tài)（開(kāi)關(guān)斷開(kāi)）；在6.4 V至25 V，MOSFET表現(xiàn)為一個(gè)閉合開(kāi)關(guān)。

圖3：通過(guò)改變MOSFET的“柵極”電壓， MOSFET的工作區(qū)域相應(yīng)發(fā)生改變。

柵極電壓在5.8 V至6.4 V之間（等效偏移為600 mV），該MOSFET實(shí)際上在線性區(qū)域內(nèi)工作。如圖4的SiC功率圖所示，這個(gè)線性區(qū)域必須要避免，因?yàn)樵谠搮^(qū)間內(nèi)工作會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。

實(shí)際上，M1器件的平均功率（紅色曲線）的耗散如下：

●關(guān)斷期間：0 W

●飽和期間：12.5 W

●在不確定期間和線性區(qū)內(nèi)：133.75 W，峰值為288 W

電路的效率很大程度上也取決于這一方面。

圖4：必須避免在MOSFET“柵極”上施加不確定的電壓。否則，其耗散將非常高

RDS（ON）參數(shù)

RDS（ON） 表示“導(dǎo)通狀態(tài)下漏極（drain）和源極（source）之間的電阻”。MOSFET通常是作為功率晶體管的一個(gè)更好替代選擇，用于大電流開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

如果RDS（ON） 較低，則根據(jù)歐姆定律，意味著MOSFET損失的能量更少，從而提高了能源效率，并產(chǎn)生更少的熱量。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇具有盡可能低的RDS（ON） 值的元件模型。

在我們的示例中，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，可以使用以下公式簡(jiǎn)單計(jì)算RDS（ON） ：

RDS（ON） = V（Drain） / I（Drain）

從而得到：

RDS（ON） = 1.00574/11.87428

根據(jù)元件的官方數(shù)據(jù)手冊(cè)得出其返回值等于0.084Ω（84mΩ）。

輸入電容（Ciss）和輸出電容（Coss）參數(shù)

MOSFET主體上的“柵極”、氧化層及其相關(guān)連接，實(shí)際上就像一個(gè)小電容器。一旦“柵極”接上電壓，此虛擬電容器就會(huì)開(kāi)始充電。充電需要時(shí)間，因此接通會(huì)有延遲。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇擁有盡可能低的輸入電容的MOSFET，以避免長(zhǎng)時(shí)間的延遲。

如果把MOSFET直接連接到微控制器（MCU）的輸出引腳，則其“柵極”應(yīng)通過(guò)一個(gè)外部電阻器連接，以防止產(chǎn)生不良結(jié)果。

對(duì)于所使用的SiC模型，其電容參數(shù)如下：

輸入電容（Ciss）：當(dāng) VDS = 100 V， VGS= 0 V， F = 100 kHz時(shí)， — 1,500 pF

輸出電容（Coss）：當(dāng) VDS = 100 V， VGS= 0 V，F(xiàn) = 100 kHz 時(shí)，— 104 pF

與開(kāi)關(guān)速度相關(guān)的參數(shù)

MOSFET特別適用于快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用。頻率越高，變壓器必須越小，但是傳輸?shù)脑肼晻?huì)增加。

在任意情況下，影響元件開(kāi)關(guān)速度的一些基本參數(shù)如下：

●接通延遲時(shí)間（tdon）：25 ns

●上升時(shí)間（tr）：14 ns

●關(guān)斷延遲時(shí)間（tdoff）：54 ns

●下降時(shí)間（tf）：11 ns

圖5中的曲線圖顯示了在兩種頻率下，開(kāi)關(guān)MOSFET的兩種不同特性。上圖以1 MHz的開(kāi)關(guān)頻率為參考，分別顯示了負(fù)載上的電流信號(hào)，柵極上的電壓和脈寬調(diào)制（PWM）發(fā)生器的電壓。

如所見(jiàn)，該元件在此頻率下的表現(xiàn)非常好。下圖改為頻率為10 MHz的方波信號(hào)。值得注意的是所有信號(hào)都高度失真，而實(shí)際上，MOSFET始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖5：MOSFET在不同開(kāi)關(guān)速度下的不同特性

結(jié)論

對(duì)于那些必須選擇一個(gè)MOSFET（或多個(gè)MOSFET）的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，上文所涉及到的參數(shù)只是一小部分。設(shè)計(jì)人員可以研究元件的其它相關(guān)特性，例如影響散熱的參數(shù)和其它參數(shù)。使用MOSFET是一個(gè)非常有趣的經(jīng)歷，它可以極大地提高電路效率并擴(kuò)充其操作可能性。其它值得關(guān)注的操作參數(shù)有：反向恢復(fù)、靜電放電（ESD）保護(hù)、開(kāi)關(guān)損耗、能夠支持的最大電壓和電流值，以及許多其它參數(shù)。這些信息都可在元件的官方數(shù)據(jù)表中找到。

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