電源設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：如何選擇 MOSFET

MOSFET 是主要用于開關(guān)應(yīng)用的半導(dǎo)體元件，具有高電壓和高電流的特點(diǎn)。它們在高速下的更高效率和更高開關(guān)容量使它們成為電源設(shè)計(jì)的最佳選擇。讓我們看看一些標(biāo)準(zhǔn)，以幫助為電力電子項(xiàng)目選擇正確的 MOSFET（或 MOSFET）。

作為邏輯開關(guān)的行為參數(shù)

無論給定項(xiàng)目工作的邏輯（和模擬）級別如何，都有不同的閾值來確定設(shè)備的明確飽和或禁止。換句話說，這些值定義了高邏輯電平或低邏輯電平的精確操作。通常，在高低層之間，需要一個(gè)過渡區(qū)來保證兩個(gè)層之間的過渡不會太突然。該區(qū)域被定義為“非法”或“不確定”區(qū)域，如圖 1 所示。

圖 1：通用 MOSFET 的邏輯電平

觀察最小和最大柵源閾值電壓很重要，如下所示：

V GS(th) (min) 是低于 MOSFET 關(guān)斷的柵極電壓值。

V GS(th) (max) 是 MOSFET 開啟時(shí)的柵極電壓值。

通常，最小柵極電壓（對于 5V 正邏輯）介于 0.5V 和 1V 之間。高于最大閾值的電壓會導(dǎo)通 MOSFET。上最小值點(diǎn)和下最大值點(diǎn)之間的電壓可以打開或關(guān)閉 MOSFET。他們必須避免，因?yàn)樗鼈兇砹瞬淮_定性的領(lǐng)域和MOSFET的行為是無法預(yù)測的先驗(yàn). 因此，在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)的邏輯之前，有必要研究每個(gè)器件的門的行為。在圖 2 中，您可以看到一個(gè)經(jīng)典的電氣圖，它提供了一個(gè)由 96 V 電壓供電的 8Ω 負(fù)載。在這種情況下，MOSFET 作為電子開關(guān)工作，可以通過驅(qū)動“柵極”來激活合適的電源。對于 UnitedSiC UF3C065080T3S 型號，適用于“門”的電壓范圍介于 –25 V 和 25 V 之間。

圖 2：電子開關(guān)的總圖

現(xiàn)在讓我們看看 MOSFET 的導(dǎo)通行為如何，觀察流經(jīng)負(fù)載 R1 的電流，具體取決于柵極電壓。相關(guān)曲線如圖 3 所示。對于 –25 V 和 5.8 V 之間的所有“柵極”電壓，該組件保持關(guān)閉狀態(tài)（開關(guān)打開）。從 6.4 V 到 25 V，MOSFET 的行為就像一個(gè)閉合的開關(guān)。

圖 3：通過改變 MOSFET 的“柵極”電壓，MOSFET 的工作方式也隨之改變。

MOSFET 的柵極電壓介于 5.8 V 和 6.4 V 之間（等效偏移為 600 mV），實(shí)際上可以在線性區(qū)域內(nèi)工作。必須避免此間隔，因?yàn)樵摻M件會散發(fā)大量熱功率，如圖 4 中的 SiC 功率圖所示。 M1（紅色曲線）的平均功率實(shí)際上耗散如下：

禁止期間：0 W

飽和期間：12.5 W

在不確定時(shí)期和線性狀態(tài)下：133.75 W，峰值為 288 W

電路的效率也很大程度上取決于這方面。

圖 4：必須避免在 MOSFET 的“柵極”上施加不確定電壓；否則，它的耗散會非常高。

R DS(ON)參數(shù)

R DS(ON) 的意思是“漏源間導(dǎo)通電阻”。MOSFET 通常用作功率晶體管的更好替代品，并用于大電流開關(guān)應(yīng)用。如果該參數(shù)較低，則意味著根據(jù)歐姆定律，MOSFET 損失的能量較少，從而導(dǎo)致更高的能效并產(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 R DS(ON)值的組件模型。在我們的示例中，當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，R DS(ON)可以使用以下公式輕松計(jì)算：

R DS(ON) = V(漏極) / I(漏極)

從中：

[R DS（ON） = 1.00574 / 11.87428

根據(jù)組件數(shù)據(jù)表的官方規(guī)范，它返回等于 0.084 Ω (84 mΩ) 的值。

輸入 (C iss ) 和輸出 (C oss ) 電容參數(shù)

“柵極”、氧化層以及 MOSFET 主體上的相關(guān)連接實(shí)際上就像一個(gè)小電容器一樣工作。一旦“門”承受電壓，這個(gè)虛擬電容器就開始充電。充電需要時(shí)間，因此開啟狀態(tài)會有延遲。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇輸入電容盡可能低的 MOSFET 以避免長時(shí)間延遲。如果使用直接連接到 MCU 輸出引腳的 MOSFET，“柵極”應(yīng)通過外部電阻器連接，以防止出現(xiàn)不需要的結(jié)果。關(guān)于所用的SiC模型，其電容參數(shù)如下：

輸入電容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 1,500 pF

輸出電容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 104 pF

開關(guān)速度相關(guān)參數(shù)

MOSFET 特別適用于快速開關(guān)應(yīng)用。頻率越高，變壓器必須越小，但傳輸?shù)脑肼晻黾?。在任何情況下，將組件與開關(guān)速度聯(lián)系起來的一些基本參數(shù)如下：

開啟延遲時(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 中的圖表顯示了在兩個(gè)頻率下切換 MOSFET 的兩種不同行為。上圖參考了 1 MHz 的開關(guān)頻率，分別顯示了負(fù)載上的電流信號、柵極上的電壓和 PWM 發(fā)生器的電壓。如您所見，該組件在該頻率下的行為非常好。相反，下圖指的是頻率為 10 MHz 的方波信號。請注意，所有信號都高度失真，實(shí)際上 MOSFET 始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖 5：MOSFET 在不同速度下的不同開關(guān)行為

結(jié)論

檢查的參數(shù)只是那些必須選擇 MOSFET（或 MOSFETS）的人的一些參數(shù)。設(shè)計(jì)人員可以研究組件的其他相關(guān)特性，例如散熱和其他參數(shù)。使用 MOSFET 是一種非常有趣的體驗(yàn)，它可以顯著提高電路的效率并擴(kuò)展其操作的可能性。要觀察的其他操作參數(shù)包括反向恢復(fù)、ESD 保護(hù)、開關(guān)損耗、支持的最大電壓和電流等。此信息可在組件的官方數(shù)據(jù)表中找到。


審核編輯：劉清