關于MOS管功率選型分析

關于MOS管功率選型分析

MOS管有兩大類型：N 溝道和 P 溝道。在功率系統(tǒng)中，MOS管可被看成電氣開關。當在 N 溝道MOS管的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻 RDS（ON）。必須清楚MOS管的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。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刻導通或關閉，導致系統(tǒng)產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即 IDSS。

作為電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師如何根據參數做出正確選擇呢？

MOS設計選型的幾個基本原則

1 電壓應力

在電源電路應用中，往往首先考慮漏源電壓 VDS 的選擇。在此上的基本原則為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大峰值漏源極間的電壓不大于器件規(guī)格書中標稱漏源擊穿電壓的 90% 。即：

VDS_peak≤ 90% * V（BR）DSS

注：一般地， V（BR）DSS 具有正溫度系數。故應取設備最低工作溫度條件下之 V（BR）DSS 值作為參考。

2 漏極電流

其次考慮漏極電流的選擇?；驹瓌t為 MOSFET 實際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標稱最大漏源電流的 90% ；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標稱漏極脈沖電流峰值的 90% 即：

ID_max≤ 90% * ID

ID_pulse≤ 90% * IDP

注：一般地， ID_max及 ID_pulse 具有負溫度系數，故應取器件在最大結溫條件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作為參考。器件此參數的選擇是極為不確定的—主要是受工作環(huán)境，散熱技術，器件其它參數（如導通電阻，熱阻等）等相互制約影響所致。最終的判定依據是結點溫度（即如下第六條之“耗散功率約束”）。根據經驗，在實際應用中規(guī)格書目中之 ID 會比實際最大工作電流大數倍，這是因為散耗功率及溫升之限制約束。在初選計算時期還須根據下面第六條的散耗功率約束不斷調整此參數。建議初選于 3~5 倍左右 ID = （3~5）*ID_max 。

3 驅動要求

MOSFEF 的驅動要求由其柵極總充電電量（ Qg ）參數決定。在滿足其它參數要求的情況下，盡量選擇 Qg 小者以便驅動電路的設計。驅動電壓選擇在保證遠離最大柵源電壓（ VGSS ）前提下使 Ron 盡量小的電壓值（一般使用器件規(guī)格書中的建議值）

4 損耗及散熱

小的 Ron 值有利于減小導通期間損耗，小的 Rth 值可減小溫度差（同樣耗散功率條件下），故有利于散熱。

5 損耗功率初算

MOSFET 損耗計算主要包含如下 8 個部分：

PD= Pon+ Poff+ Poff_on+ Pon_off+ Pds+ Pgs+Pd_f+Pd_recover

詳細計算公式應根據具體電路及工作條件而定。例如在同步整流的應用場合，還要考慮體內二極管正向導通期間的損耗和轉向截止時的反向恢復損耗。損耗計算可參考下文的“MOS管損耗的8個組成部分”部分。

6 耗散功率約束

器件穩(wěn)態(tài)損耗功率 PD，max應以器件最大工作結溫度限制作為考量依據。如能夠預先知道器件工作環(huán)境溫度，則可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PD，max≤ （ Tj，max- Tamb） / Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件結點到其工作環(huán)境之間的總熱阻 ， 包括 Rθjuntion-case，Rθcase-sink，Rθsink-ambiance等。如其間還有絕緣材料還須將其熱阻考慮進去。

正確選擇MOS管是很重要的一個環(huán)節(jié)，MOS管選擇不好有可能影響到整個電路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的細微差別及不同開關電路中的應力能夠幫助工程師避免諸多問題，下面我們來學習下MOS管的正確的選擇方法。

第一步：選用N溝道還是P溝道

低壓側開關選N-MOS，高壓側開關選P-MOS

根據電路要求選擇確定VDS，VDS要大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOS管不會失效。

第二步：確定額定電流

額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOS管能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產生尖峰電流時。

MOS管并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。

MOS管在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著變化。

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，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOS管施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會越小；反之RDS（ON）就會越高。

第三步：確定熱要求

器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結溫=最大環(huán)境溫度+［熱阻×功率耗散］）。根據這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS（ON）。

第四步：決定開關性能

選擇MOS管的最后一步是決定MOS管的開關性能。影響開關性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOS管的開關速度因此被降低，器件效率也下降。