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功率MOSFET選型原則-功率MOSFET選型方法與步驟-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2018-11-16 

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功率MOSFET選型

功率MOSFET恐怕是工程師們最常用的器件之一了,但你知道嗎?關(guān)于MOSFET的器件選型要考慮方方面面的因素,小到選N型還是P型、封裝類(lèi)型,大到MOSFET的耐壓、導(dǎo)通電阻等,不同的應(yīng)用需求千變?nèi)f化,下面這篇文章總結(jié)了MOSFET器件選型法則

一、功率MOSFET選型第一步:P管,還是N管?

功率MOSFET有兩種類(lèi)型:N溝道和P溝道,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中選擇N管還是P管,要針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用具體來(lái)選擇,N溝道MOSFET選擇的型號(hào)多,成本低;P溝道MOSFET選擇的型號(hào)較少,成本高。如果功率MOSFET的S極連接端的電壓不是系統(tǒng)的參考地,N溝道就需要浮地供電電源驅(qū)動(dòng)、變壓器驅(qū)動(dòng)或自舉驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜;P溝道可以直接驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單。


需要考慮N溝道和P溝道的應(yīng)用主要有:

(1)筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器等使用的給CPU和系統(tǒng)散熱的風(fēng)扇,打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路,這些系統(tǒng)使用全橋電路結(jié)構(gòu),每個(gè)橋臂上管可以使用P管,也可以使用N管。

(2)通信系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥MOSFET放在高端,可以使用P管,也可以使用N管。

(3)筆記本電腦輸入回路串聯(lián)的、起防反接和負(fù)載開(kāi)關(guān)作用的二個(gè)背靠背的功率MOSFET,使用N溝道需要控制芯片內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)的充電泵,使用P溝道可以直接驅(qū)動(dòng)。


1(1)風(fēng)扇控制電路筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器等通常使用風(fēng)扇給CPU和系統(tǒng)散熱,打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng),吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路,都使用全橋電路結(jié)構(gòu),每個(gè)橋臂上管使用P管,下管使用N管,而且將P管和N管封裝在一起,這樣系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單,元件數(shù)量少,體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,得到廣泛使用。



功率MOSFET選型


(2)大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng)器大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng)器有時(shí)候需要外接上、下對(duì)管組成的圖騰驅(qū)動(dòng)器來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的能力,使用MOSFET對(duì)管組成的圖騰驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)速度非常快,因此在一些需要高速驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)中得到使用。使用P管和N管封裝在一起的對(duì)管組成的圖騰驅(qū)動(dòng)器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,元件數(shù)量少。


(3)次級(jí)同步整流電路在次級(jí)同步整流電路中,通常選用低導(dǎo)通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET?,F(xiàn)在的設(shè)計(jì)大多將同步整流功率MOSFET放在低端,而不是放在高端,優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單,但帶來(lái)的問(wèn)題是:由于輸出的地相對(duì)是浮動(dòng)的,因此會(huì)產(chǎn)生EMI的問(wèn)題。

有些客戶(hù)的系統(tǒng)中有輔助的浮驅(qū)電源,這樣就可以將N溝道同步整流功率MOSFET管放在高端。


功率MOSFET選型


(4)通訊系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥如果是-48V的系統(tǒng),熱插撥的功率MOSFET使用N溝道類(lèi)型,放在低端,可以直接驅(qū)動(dòng)。

如果是+48V的系統(tǒng),熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端,雖然可以直接驅(qū)動(dòng),但輸出地會(huì)產(chǎn)生浮動(dòng)的問(wèn)題。使用P溝道的功率管放在高端,驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單,但是這個(gè)電壓規(guī)格的P溝道的功率管的導(dǎo)通電阻大,而且成本高,因此一些半導(dǎo)體公司就開(kāi)發(fā)了一些熱插撥的控制芯片,在芯片內(nèi)部集成充電泵,實(shí)現(xiàn)自舉浮動(dòng)。


(5)筆記本電腦輸入負(fù)載開(kāi)關(guān)筆記本電腦輸入電壓為19V,進(jìn)入系統(tǒng)前,通常在輸入的回路串聯(lián)二個(gè)背靠背的功率MOSFET,就是它們的D極是連接在一起的,這二個(gè)功率MOSFET有二個(gè)作用:

· 其中的一個(gè)相當(dāng)于負(fù)載開(kāi)關(guān),限制輸入的浪涌電流。

· 另一個(gè)實(shí)現(xiàn)輸入防反接功能。

由于浮地的原因,這二個(gè)背靠背的功率管不能放在低端,也就是不能串聯(lián)接入輸入地,必須放在高端,也就是串聯(lián)接入輸入電源的正端回路。

以前這二個(gè)背靠背的功率管都采用P溝道的功率管,現(xiàn)在的系統(tǒng)對(duì)于成本和功耗的要求越來(lái)越高,P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻大,正常工作的時(shí)候,靜態(tài)功耗也比較大,而且成本也高,選型的種類(lèi)少。為了解決高端自舉驅(qū)動(dòng)問(wèn)題,一些半導(dǎo)體公司也開(kāi)發(fā)了針對(duì)筆記本電腦應(yīng)用的集成負(fù)載開(kāi)關(guān)和電池充電等功能的控制芯片,在芯片內(nèi)部集成充電泵,實(shí)現(xiàn)自舉浮動(dòng)。即便如此,仍然有些系統(tǒng)采用容易驅(qū)動(dòng)的P管。

功率MOSFET選型

筆記本電腦、電視機(jī)等應(yīng)用中,板上的5V、3.3V等電源的負(fù)載開(kāi)關(guān),仍然采用驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的P管作為控制管。


(6)CCFL的背光以前筆記本電腦的CCFL背光使用全橋或半橋電路,和風(fēng)扇控制電路相似,每個(gè)橋臂上管使用P管,下管使用N管,而且將P管和N管封裝在一起,這樣的結(jié)構(gòu)曾經(jīng)得到廣泛使用。后來(lái)LED背光的大量使用,CCFL逐漸退出這個(gè)市場(chǎng)。


二、N溝通和P溝道功率MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結(jié)構(gòu),都是溝槽型Trench結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,襯底都是漏極D,但半導(dǎo)體的類(lèi)型不同:N溝道的漏極是N型半導(dǎo)體,P溝道的漏極是P型半導(dǎo)體。

當(dāng)N溝道的功率MOSFET的G極、S極加上正向電壓后,在G極的下面的P型體區(qū),就會(huì)形成一個(gè)非常薄的反型層N型,這樣D極的N、反型層N、S極的N,就會(huì)形成導(dǎo)通的路徑。

功率MOSFET選型

P溝道的工作原理和N溝道類(lèi)似,從上面導(dǎo)通過(guò)程可以看到:功率MOSFET是單極性器,N溝道的功率MOSFET只有電子導(dǎo)電,P溝道的功率MOSFET只有空穴導(dǎo)電。

硅半導(dǎo)體中,由于熱能的存在,電子和空穴,統(tǒng)稱(chēng)為載流子,在晶格中不停的運(yùn)動(dòng),與晶格的其它原子發(fā)生碰撞,使它們的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、減速或加速。電子和空穴二次碰撞間移動(dòng)的距離稱(chēng)為平均自由程,通常用二次晶格碰撞的平均時(shí)間tc表示。

另外,電子和空穴,在電場(chǎng)的作用下,沿著特征的方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為載流子的漂移。載流子由于電場(chǎng)的作用在晶格中平均移動(dòng)的速度稱(chēng)為漂移速度。載流子的漂移速度和電場(chǎng)成正比,比例系數(shù)稱(chēng)為遷移率u。

vn = -un e

vp = up e

功率MOSFET選型

遷移率和tc成正比,由于空穴的有效質(zhì)量比較大,因此在同樣的摻雜濃度下,空穴的遷移率遠(yuǎn)小于電子,這意味著:同樣的晶元面積,P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻也遠(yuǎn)大于N溝道的功率MOSFET。


三、N溝通和P溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)

N溝道的功率MOSFET連接方式:電源輸入正極連接到D極,由S極輸出;驅(qū)動(dòng)電壓的正加在G極,驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)加在S極。

P溝道的功率MOSFET連接方式:電源輸入正極連接到S極,由D極輸出;驅(qū)動(dòng)電壓的正加在S極,驅(qū)動(dòng)電壓的負(fù)加在G極。

這樣的連接方式導(dǎo)致二種溝道的功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)方式不同,P溝道的S極連接的是電源的正極,這個(gè)電壓總是大于地電位,因此,相對(duì)于S極,只要將G極拉低到低于電源的電壓一定的值,就可以導(dǎo)通,如圖3所示,R1/R2將輸入的電壓分壓,保證穩(wěn)定時(shí)加在G、S上的最大電壓不超過(guò)其額定值。

功率MOSFET選型

N溝道的G極電壓必須大于S極才能導(dǎo)通工作,如果S極連接到地電位,可以直接驅(qū)動(dòng),如圖3所示,橋式電路橋臂的下管。如果S極的電壓不是連接到地,如圖3中橋式電路橋臂的上管,S極的電壓是變動(dòng)的,如果要驅(qū)動(dòng)MOSFET正常的工作,必須保證在使用的過(guò)程,G極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的供電電源的負(fù)端連接在S極上。相對(duì)于系統(tǒng)的電源地,G極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的供電電源的負(fù)端相當(dāng)于浮在S極上,就是常說(shuō)的浮驅(qū)、浮地或自舉電源。

四、如何選擇,N溝通還是P溝道?

從上面的分析可以看到,如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源的地,那么選用N溝道的功率MOSFET,可以直接驅(qū)動(dòng)。如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源正端,那么選用P溝道的功率MOSFET,也可以直接驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于一個(gè)橋式電路的上下橋臂,上管使用P溝道的功率MOSFET,可以直接驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET,那么必須采用浮驅(qū)或自舉電路,驅(qū)動(dòng)電路比較復(fù)雜。對(duì)于下管,使用N溝道的功率MOSFET,可以直接驅(qū)動(dòng)。


五、選取封裝類(lèi)型

功率MOSFET的溝道類(lèi)型確定后,第二步就要確定封裝,封裝選取原則有:

(1)溫升和熱設(shè)計(jì)是選取封裝最基本的要求

不同的封裝尺寸具有不同的熱阻和耗散功率,除了考慮系統(tǒng)的散熱條件和環(huán)境溫度,如是否有風(fēng)冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素,基本原則就是在保證功率MOSFET的溫升和系統(tǒng)效率的前提下,選取參數(shù)和封裝更通用的功率MOSFET。


(2)系統(tǒng)的尺寸限制

有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度,如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝;在有些ACDC的電源中,使用超薄設(shè)計(jì)或由于外殼的限制,裝配時(shí)TO220封裝的功率MOSFET管腳直接插到根部,高度的限制不能使用TO247的封裝。有些超薄設(shè)計(jì)直接將器件管腳折彎平放,這種設(shè)計(jì)生產(chǎn)工序會(huì)變復(fù)雜。


(3)公司的生產(chǎn)工藝

TO220有二種封裝:裸露金屬的封裝和全塑封裝,裸露金屬的封裝熱阻小,散熱能力強(qiáng),但在生產(chǎn)過(guò)程中,需要加絕緣墜,生產(chǎn)工藝復(fù)雜成本高,而全塑封裝熱阻大,散熱能力弱,但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。

為了減小鎖螺絲的人工工序,近幾年一些電子系統(tǒng)采用夾子將功率MOSFET夾在散熱片中,這樣就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)的TO220上部帶孔的部分去除的新的封裝形式,同時(shí)也減小的器件的高度。


(4)成本控制

在臺(tái)式機(jī)主板、板卡等一些對(duì)成本極其敏感的應(yīng)用中,通常采用DPAK封裝的功率MOSFET,因?yàn)檫@種封裝的成本低。

因此在選擇功率MOSFET的封裝時(shí),要結(jié)合自己公司的風(fēng)格和產(chǎn)品的特點(diǎn),綜合考慮上面因素。


六、選取耐壓BVDSS

在大多數(shù)情況下,因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)輸入電壓是相對(duì)固定的,公司選取特定的供應(yīng)商的一些料號(hào),產(chǎn)品額定電壓也是固定的。

數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的擊穿電壓BVDSS有確定的測(cè)試條件,在不同的條件下具有不同的值,而且BVDSS具有正溫度系數(shù),在實(shí)際的應(yīng)用中要結(jié)合這些因素綜合考慮。

很多資料和文獻(xiàn)中經(jīng)常提到:如果系統(tǒng)中功率MOSFET的VDS的最高尖峰電壓如果大于BVDSS,即便這個(gè)尖峰脈沖電壓的持續(xù)只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns,功率MOSFET也會(huì)進(jìn)入雪崩從而發(fā)生損壞。

不同于三極管和IGBT,功率MOSFET具有抗雪崩的能力,而且很多大的半導(dǎo)體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產(chǎn)線上是全檢的、100%檢測(cè),也就是在數(shù)據(jù)中這是一個(gè)可以保證的測(cè)量值,雪崩電壓通常發(fā)生在1.2~1.3倍的BVDSS,而且持續(xù)的時(shí)間通常都是μs、甚至ms級(jí),那么持續(xù)只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns、遠(yuǎn)低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會(huì)對(duì)功率MOSFET產(chǎn)生損壞的。


七、由驅(qū)動(dòng)電壓選取VTH

不同電子系統(tǒng)的功率MOSFET選取的驅(qū)動(dòng)電壓并不相同,AC/DC電源通常使用12V的驅(qū)動(dòng)電壓,筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅(qū)動(dòng)電壓,因此要根據(jù)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓選取不同閾值電壓VTH的功率MOSFET。

數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的閾值電壓VTH也有確定的測(cè)試條件,在不同的條件下具有不同的值,VTH具有負(fù)溫度系數(shù)。不同的驅(qū)動(dòng)電壓VGS對(duì)應(yīng)著不同的導(dǎo)通電阻,在實(shí)際的應(yīng)用中要考慮溫度的變化,既要保證功率MOSFET完全開(kāi)通,同時(shí)又要保證在關(guān)斷的過(guò)程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會(huì)發(fā)生誤觸發(fā)產(chǎn)生直通或短路。


八、選取導(dǎo)通電阻RDSON,注意:不是電流

工程師盡可能沿用以前項(xiàng)目中或物料庫(kù)中現(xiàn)有的元件,對(duì)于RDSON的真正的選取方法并沒(méi)有太多的考慮。當(dāng)選用的功率MOSFET的溫升太低,出于成本的考慮,會(huì)改用RDSON大一些的元件;當(dāng)功率MOSFET的溫升太高、系統(tǒng)的效率偏低,就會(huì)改用RDSON小一些的元件,或通過(guò)優(yōu)化外部的驅(qū)動(dòng)電路,改進(jìn)散熱的方式等來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

如果是一個(gè)全新的項(xiàng)目,沒(méi)有以前的項(xiàng)目可循,那么如何選取功率MOSFET的RDSON?這里介紹一個(gè)方法給大家:功耗分配法。

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電源系統(tǒng)的時(shí)候,已知條件有:輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率、工作頻率、驅(qū)動(dòng)電壓,當(dāng)然還有其他的技術(shù)指標(biāo)和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數(shù)。步驟如下:


(1)根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率,計(jì)算系統(tǒng)的最大損耗。

(2)功率回路的雜散損耗,非功率回路元件的靜態(tài)損耗,IC的靜態(tài)損耗以及驅(qū)動(dòng)損耗,做大致的估算,經(jīng)驗(yàn)值可以占總損耗的10%~15%。如果功率回路有電流取樣電阻,計(jì)算電流取樣電阻的功耗。總損耗減去上面的這些損耗,剩下部分就是功率器件、變壓器或電感的功率損耗。

將剩下的功率損耗按一定的比例分配到功率器件和變壓器或電感中,不確定的話,按元件數(shù)目平均分配,這樣就得到每個(gè)MOSFET的功率損耗。

(3)將MOSFET的功率損耗,按一定的比例分配給開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,不確定的話,平均分配開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

(4)由MOSFET導(dǎo)通損耗和流過(guò)的有效值電流,計(jì)算最大允許的導(dǎo)通電阻,這個(gè)電阻是MOSFET在最高工作結(jié)溫的RDSON。

數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標(biāo)注有確定的測(cè)試條件,在不同的定義的條件下具有不同的值,測(cè)試的溫度為:TJ=25℃,RDSON具有正溫度系數(shù),因此根據(jù)MOSFET最高的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù),由上述RDSON計(jì)算值,得到25℃溫度下對(duì)應(yīng)的RDSON。

(5)由25℃的RDSON來(lái)選取型號(hào)合適的功率MOSFET,根據(jù)MOSFET的RDSON實(shí)際參數(shù),向下或向上修整。


九、選取開(kāi)關(guān)特性:Crss、Coss、Ciss;Qg、Qgd、Qoss

功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗,開(kāi)關(guān)損耗主要和這些開(kāi)關(guān)特性參數(shù)有關(guān)。QG影響驅(qū)動(dòng)損耗,這一部分損耗并不消耗在功率MOSFET中,而且是消耗在驅(qū)動(dòng)IC中。QG越大,驅(qū)動(dòng)損耗越大。

基于RDSON選取了功率MOSFET的型號(hào)后,這些開(kāi)關(guān)特性參數(shù)都可以在數(shù)據(jù)表中查到,然后根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算開(kāi)關(guān)損耗。


十、熱設(shè)計(jì)及校核

根據(jù)選取的功率MOSFET的數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)的工作狀態(tài),計(jì)算其導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗,由總的功率損耗和工作的環(huán)境溫度計(jì)算MOSFET的最高結(jié)溫,校核其是否在設(shè)計(jì)的范圍。所有條件基于最?lèi)毫拥臈l件,然后由計(jì)算的結(jié)果做相應(yīng)的調(diào)整。

如果總的損耗偏大,大于分配的功率損耗,那么就要重新選取其他型號(hào)的功率MOSFET,可以查看比選取的功率MOSFE的RDSON更大或更小的其他型號(hào),再次校核總的功率損耗,上述過(guò)程通常要配合第5、6步,經(jīng)過(guò)幾次的反復(fù)校驗(yàn),最后確定與設(shè)計(jì)相匹配的型號(hào),直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。


十一、校核二極管特性

在橋式電路中如全橋、半橋、LLC以及BUCK電路的下管,有內(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)的問(wèn)題,最簡(jiǎn)單的方法就是采用內(nèi)部帶快恢復(fù)二極管的功率MOSFET,如果內(nèi)部不帶快恢復(fù)二極管,就要考慮內(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)特性:Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2,如trr要小于250ns,這些參數(shù)影響著關(guān)斷的電壓尖峰、效率,以及可靠性,如在LLC的起動(dòng)、短路中,系統(tǒng)進(jìn)入容性模式、若二極管反向恢復(fù)性能較差,容易產(chǎn)生上下管直通而損壞的問(wèn)題。如果控制器具有容性模式保護(hù)功能,就不用考慮這個(gè)因素。


十二、雪崩能量及UIS、dv/dt

雪崩能量及測(cè)試的條件參考下面的文章,有非常詳細(xì)的詳明。除了反激和一些電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用,大多結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生這種單純的電壓箝位的雪崩,很多應(yīng)用情況下,二極管反向恢復(fù)過(guò)程中dv/dt、過(guò)溫以及大電流的綜合作用產(chǎn)生動(dòng)態(tài)雪崩擊穿損壞,相關(guān)的內(nèi)容可參考文章。


十三、其他參數(shù)

內(nèi)部RG的大小、負(fù)載開(kāi)關(guān)和熱插撥工作在線性區(qū)的問(wèn)題、SOA特性,和EMI相關(guān)的參數(shù)、等等。




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