功率器件心得——功率MOSFET心得

2020-11-30 電子產品世界

　　功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態。一般直接驅動負載，帶載能力要強。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/341058.htm

　　功率MOSFET是較常使用的一類功率器件。「MOSFET」是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的縮寫，譯成中文是「金屬氧化物半導體場效應管」。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導體三種材料製成的器件。所謂功率MOSFET(PowerMOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用於功率輸出級的器件。功率MOSFET可分為增強型和耗盡型，按溝道分又可分為N溝道型和P溝道型。

　　做開關電源，常用功率MOSFET。一般而言，MOS管制造商採用RDS(ON)參數來定義導通阻抗;對ORing FET應用來說，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數據手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅動)電壓VGS以及流經開關的電流有關，但對於充分的柵極驅動，RDS(ON)是一個相對靜態參數。

　　若設計人員試圖開發尺寸最小、成本最低的電源，低導通阻抗更是加倍的重要。在電源設計中，每個電源常常需要多個ORing MOS管並行工作，需要多個器件來把電流傳送給負載。在許多情況下，設計人員必須並聯MOS管，以有效降低RDS(ON)。在DC電路中，並聯電阻性負載的等效阻抗小於每個負載單獨的阻抗值。比如，兩個並聯的2Ω電阻相當於一個1Ω的電阻。因此，一般來說，一個低RDS(ON)值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設計人員把電源中所用MOS管的數目減至最少。

　　除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過程中還有幾個MOS管參數也對電源設計人員非常重要。許多情況下，設計人員應該密切關注數據手冊上的安全工作區(SOA)曲線，該曲線同時描述了漏極電流和漏源電壓的關係。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應用中，首要問題是：在"完全導通狀態"下FET的電流傳送能力。實際上無需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

　　做反激的時候常採用IRF540，其VDSS為100V，RDS=0.055歐，ID為22A。MOSFET在關斷瞬間，會承受到最大的電壓衝擊，這個最大電壓跟負載有很大關係：如果是阻性負載，那就是來自VCC端的電壓，但還需要考慮電源本身的質量，如果電源質量不佳，需要在前級加些必要的保護措施;如果是感性負載，那承受的電壓會大不少，因為電感在關斷瞬間會產生感生電動勢(電磁感應定律)，其方向與VCC方向相同(楞次定律)，承受的最大電壓為VCC與感生電動勢之和;如果是變壓器負載的話，在感性負載基礎上還需要再加上漏感引起的感應電動勢。

　　對於以上幾種負載情況，在計算出(或測出)最大電壓後，再留有20%~30%的裕量，就可以確定所需要的MOSFET的額定電壓VDS值。在這裡需要說的是，為了更好的成本和更穩定的性能，可以選擇在感性負載上並聯續流二極體與電感在關斷時構成續流迴路，釋放掉感生能量來保護MOSFET，如果必要，還可以再加上RC緩衝電路(Snubber)來抑制電壓尖峰。(注意二極體方向不要接反。當然，你也可以直接選擇VDS足夠大的MOSFET，前提是你不care成本。)

　　額定電壓確定後，電流就可以計算出來了。但這裡需要考慮兩個參數：一個是連續工作電流值和脈衝電流尖峰值(Spike和Surge)，這兩個參數決定你應該選多大的額定電流值。

　　場效應管是根據三極體的原理開發出的新一代放大元件，功率MOSFET場效應管具有負的電流溫度系 數，可以避免它工作的熱不穩定性和二次擊穿，適合於大功率和大電流工作條件下的應用。功率MOSFET場效應管從驅動模式上看，屬於電壓型驅動控制元件， 驅動電路的設計比較簡單，所需驅動功率很小。採用功率MOSFET場效應作為開關電源中的功率開關，在啟動或穩態工作條件下，功率MOSFET場效應管的峰值電流要比採用雙極型功率電晶體小得多。功率場效應管與雙極型功率電晶體之間的特性比較如下：

　　1. 驅動方式：場效應管是電壓驅動，電路設計比較簡單，驅動功率小;功率電晶體是電流驅動，設計較複雜，驅動條件選擇困難，驅動條件會影響開關速度。

　　2. 開關速度：場效應管無少數載流子存儲效應，溫度影響小，開關工作頻率可達150KHz以上;功率電晶體有少數載流子存儲時間限制其開關速度，工作頻率一般不超過50KHz。

　　3. 安全工作區：功率場效應管無二次擊穿，安全工作區寬;功率電晶體存在二次擊穿現象，限制了安全工作區。

　　4. 導體電壓：功率場效應管屬於高電壓型，導通電壓較高，有正溫度係數;功率電晶體無論耐電壓的高低，導體電壓均較低，具有負溫度係數。

　　5. 峰值電流：功率場效應管在開關電源中用做開關時，在啟動和穩態工作時，峰值電流較低;而功率電晶體在啟動和穩態工作時，峰值電流較高。

　　6. 產品成本：功率場效應管的成本略高;功率電晶體的成本稍低。

　　7. 熱擊穿效應：功率場效應管無熱擊穿效應;功率電晶體有熱擊穿效應。

　　8. 開關損耗：場效應管的開關損耗很小;功率電晶體的開關損耗比較大。

　　另外，功率MOSFET場效應管大多集成有阻尼二極體，而雙極型功率電晶體大多沒有集成阻尼二極體。場效應管內的阻尼二極體可以為開關電源感性線圈提供無功電流通路。所以，當場效應管的源極電位高於漏極時，這個阻尼二極體導通，但在開關電源中不能使用這個阻尼二極體，需要另外並聯超快速二極體。場效應管內的阻尼二極體在關斷過程中與一般二極體一樣存在反向恢復電流。此時二極體一方面承受著漏-源極之間急劇上升的電壓，另一方面又有反向恢復電流流過。

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