【圖文】電源開關(guān)設(shè)計如何選擇最優(yōu)MOSFET？-KIA MOS管

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

邏輯開關(guān)的行為參數(shù)

不管給定項目使用什么邏輯（和模擬）電平，都會有不同的閾值來清楚地判定設(shè)備的飽和或關(guān)斷。換句話說，這些值精確地定義了邏輯電平在高或低時的操作。通常，在高低電平之間需要一個過渡區(qū)域，以確保兩電平之間的過渡不會太突然。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導(dǎo)通MOSFET。在最小柵極電壓的最高點和最大柵極電壓的最低點之間的電壓可能讓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，并且無法預(yù)測MOSFET的性能。因此，有必要在設(shè)計新系統(tǒng)的邏輯之前研究每個器件的柵極工作狀況。

在圖2中，您可以看到一個經(jīng)典的電路圖，該圖提供了一個用96 V電壓供電的8Ω負(fù)載。在這種情況下，MOSFET用作電子開關(guān)，并且可以通過合適的電源驅(qū)動 “柵極”來激活。對于UnitedSiC UF3C065080T3S，能夠提供給“柵極”的電壓范圍為–25 V至25V。

圖2：電子開關(guān)的通用框圖

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

圖3：通過改變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實際上在線性區(qū)域內(nèi)工作。如圖4的SiC功率圖所示，這個線性區(qū)域必須要避免，因為元件在該區(qū)間內(nèi)工作會產(chǎn)生大量的熱能。

實際上，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更好替代選擇，用于大電流開關(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，可以使用以下公式簡單計算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，實際上就像一個小電容器。一旦“柵極”接上電壓，此虛擬電容器就會開始充電。充電需要時間，因此接通會有延遲。設(shè)計人員應(yīng)選擇擁有盡可能低的輸入電容的MOSFET，以避免長時間的延遲。

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)通過一個外部電阻器連接，以防止產(chǎn)生不良結(jié)果。

對于所使用的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， — 1,500 pF

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

與開關(guān)速度相關(guān)的參數(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，但是傳輸?shù)脑肼晻黾印?/span>

在任意情況下，影響元件開關(guān)速度的一些基本參數(shù)如下：

●接通延遲時間（tdon）：25 ns

●上升時間（tr）：14 ns

●關(guān)斷延遲時間（tdoff）：54 ns

●下降時間（tf）：11 ns

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

如所見，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。值得注意的是所有信號都高度失真，而實際上，MOSFET始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖5：MOSFET在不同開關(guān)速度下的不同特性

結(jié)論

對于那些必須選擇一個MOSFET（或多個MOSFET）的設(shè)計人員來說，上文所涉及到的參數(shù)只是一小部分。設(shè)計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是一個非常有趣的經(jīng)歷，它可以極大地提高電路效率并擴充其操作可能性。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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