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選擇正確的MOSFET
工程師所需要知道的事情

【作者: Jonathan Harper,Enrique Rodriguez】   2008年04月01日 星期二

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MOSFET是電氣系統一些最基本的元件,但隨著製造技術的發展和進步,系統設計人員必需跟上技術的發展步伐,才能為其設計挑選最合適的產品。本文將討論如何根據RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關性能指標來選擇正確的MOSFET。


在產品開發環節,許多設計工程師都是設計系統主要功能的專家。然而,由於缺乏資源和時間,他們中許多還得在板卡上開發外設子系統。這類子系統可能包括功率結構和拓墣。許多工程師可能缺少構建功率結構方面的經驗,因而需要協助。所以,對他們來說瞭解如何為其設計選擇正確的MOSFET就非常重要。


MOSFET選擇

MOSFET有兩大類型:N通道和P通道。在功率系統中,MOSFET可被看成電氣開關。當在N通道MOSFET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MOSFET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,元件將不能按設計意圖工作,並可能在不恰當的時刻導通或關閉,導致系統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,而電流停止通過元件。雖然這時元件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。


第一步步:選用N通道還是P通道

為設計選擇正確元件的第一步是決定採用N通道還是P通道MOSFET。在典型的功率應用中,當一個MOSFET接地,而負載連接到幹線電壓上時,該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應採用N通道MOSFET,這是出於對關閉或導通元件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到匯流排及負載接地時,就要用高壓側開關。通常會在這個拓墣中採用P通道MOSFET,而此也是出於對電壓驅動的考慮。


要選擇適合應用的元件,必需確定驅動元件所需的電壓,以及在設計中最簡易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓,或者元件所能承受的最大電壓。額定電壓越大,元件的成本就越高。根據實踐經驗,額定電壓應當大於幹線電壓或匯流排電壓。這樣才能提供足夠的保護,使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言,必需確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必需在整個工作溫度範圍內測試電壓的變化範圍。額定電壓必須有足夠的餘量覆蓋這個變化範圍,確保電路不會失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同;通常,可攜式設備為20V、FPGA電源為20-30V、85VAC-220VAC應用為450V-600V。


第二步:確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視乎電路結構而定,該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,設計人員必需確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈衝尖峰。在連續導通模式下,MOSFET處於穩態,此時電流連續通過元件。脈衝尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過元件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的元件便可。


選好額定電流後,還必須計算導通損耗。在實際情況下,MOSFET並不是理想的元件,因為在導電過程中會有電能損耗;這稱之為導通損耗。MOSFET在「導通」時像一個可變電阻,由元件的RDS(ON)所確定,並隨溫度而顯著變化。元件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由於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MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越小;反之RDS(ON)就會越高。對系統設計人員來說,這就是取決於系統電壓而需要折衷權衡的地方。對可攜式設計來說,採用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對於工業設計,可採用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。


技術對元件的特性有著重大影響,因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對於這樣的技術,如果打算降低VDS和RDS(ON),那麼就得增加晶片尺寸,從而增加與之配套的封裝尺寸及相關的開發成本。業界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術,其中最主要的是通道和電荷平衡技術。


在通道技術中,晶片中嵌入了一個深溝,通常是為低電壓預留的,用於降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響,開發過程中採用了外延生長柱/蝕刻柱製程。例如,快捷半導體開發了稱為SuperFET的技術,針對RDS(ON)的降低而增加了額外的製造步驟。這種對RDS(ON)的關注十分重要,因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時,RDS(ON)會隨之呈指數級增加,並且導致晶片尺寸增大。SuperFET製程將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣,SuperFET元件便可在小晶片尺寸,甚至在擊穿電壓達到600V的情況下,實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對於最終用戶來說,這意味著封裝尺寸的大幅減小。


第三步:確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必需考慮兩種不同的情況:即最壞情況和真實情況。建議採用針對最壞情況的計算結果,因為這個結果提供更大的安全餘量,能確保系統不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量資料;比如封裝元件的半導體結與環境之間的熱阻,以及最大的結溫。


元件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積,其公式如下:


  • 公式一 


  • 結溫=最大環境溫度+(熱阻×功率耗散)



根據這個方程可解出系統的最大功率耗散,即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於設計人員已確定將要通過元件的最大電流,因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是,在處理簡單熱模型時,設計人員還必需考慮半導體結/元件外殼及外殼/環境的熱容量;即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。


雪崩擊穿是指半導體元件上的反向電壓超過最大值,並形成強電場使元件內電流增加。該電流將耗散功率,使元件的溫度升高,而且有可能損壞元件。半導體公司都會對元件進行雪崩測試,計算其雪崩電壓,或對元件的穩健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法;一是統計法,另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛採用。不少公司都有提供其元件測試的詳情[1]。除計算外,技術對雪崩效應也有很大影響。例如,晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力,最終並提高元件的穩健性。對最終使用者而言,這意味著要在系統中採用更大的封裝件。


第四步:決定開關性能

選擇MOSFET的最後一步是決定MOSFET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。這些電容會在元件中產生開關損耗,因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低,元件效率也下降。為計算開關過程中元件的總損耗,設計人員必需計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達:


  • 公式二


  • Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。


  • 基於開關性能的重要性,新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。晶片尺寸的增加會加大柵極電荷;而這會使元件尺寸增大。為了減少開關損耗,新的技術如通道厚底氧化經已應運而生,旨在減少柵極電荷。舉例說,SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg),最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣,MOSFET就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt),甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。



結語

通過瞭解MOSFET的類型及瞭解和決定它們的重要性能特點,設計人員就能針對特定設計選擇正確的MOSFET。由於MOSFET是電氣系統中最基本的元件之一,選擇正確的MOSFET對整個設計是否成功起著關鍵的作用。


@小標:參考資料


Application Note(AN-9034): “Power MOSFET Avalanche Guidelines.” Fairchild Semiconductor. http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9034.pdf#page=1


…作者任職於快捷半導體公司…


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