MOSFET的選型基礎(chǔ)

MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于：首先驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。MOSFET需要的驅(qū)動(dòng)電流比BJT則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開(kāi)路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；其次MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因?yàn)闆](méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)；另外MOSFET沒(méi)有二次擊穿失效機(jī)理，它在溫度越高時(shí)往往耐力越強(qiáng)，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應(yīng)用，在消費(fèi)電子、工業(yè)產(chǎn)品、機(jī)電設(shè)備、智能手機(jī)以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見(jiàn)。

近年來(lái)，隨著汽車、通信、能源、消費(fèi)、綠色工業(yè)等大量應(yīng)用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展，功率MOSFET更是備受關(guān)注。據(jù)預(yù)測(cè)，2010-2015年中國(guó)功率MOSFET市場(chǎng)的總體復(fù)合年度增長(zhǎng)率將達(dá)到13.7%。 雖然市場(chǎng)研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經(jīng)濟(jì)政策和日本地震帶來(lái)的晶圓與原材料供應(yīng)問(wèn)題，今年的功率MOSFET市場(chǎng)會(huì)放緩，但消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)處理的需求依然旺盛，因此長(zhǎng)期來(lái)看，功率MOSFET的增長(zhǎng)還是會(huì)持續(xù)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

技術(shù)一直在進(jìn)步，功率MOSFET市場(chǎng)逐漸受到了新技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如，業(yè)內(nèi)有不少公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)GaN功率器件，并且斷言硅功率MOSFET的性能可提升的空間已經(jīng)非常有限。不過(guò)，GaN 對(duì)功率MOSFET市場(chǎng)的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段，MOSFET在技術(shù)成熟度、供應(yīng)量等方面仍然占據(jù)明顯的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，MOSFET市場(chǎng)也不會(huì)輕易被新技術(shù)迅速替代。

五年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，MOSFET仍會(huì)占據(jù)主導(dǎo)的位置。MOSFET也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩?huì)接觸到的器件，本期半月談將會(huì)從基礎(chǔ)開(kāi)始，探討MOSFET的一些基礎(chǔ)知識(shí)，包括選型、關(guān)鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等等；最后還會(huì)就一些最常見(jiàn)的熱門應(yīng)用為大家做一些介紹。
MOSFET 的選型基礎(chǔ)

MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內(nèi)阻，稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計(jì)意圖工作，并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻導(dǎo)通或關(guān)閉，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)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(jù)參數(shù)做出正確選擇呢？本文將討論如何通過(guò)四步來(lái)選擇正確的MOSFET。

1）溝道的選擇。為設(shè)計(jì)選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)MOSFET接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。在低壓側(cè)開(kāi)關(guān)中，應(yīng)采用N溝道MOSFET，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時(shí)，就要用高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。通常會(huì)在這個(gè)拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET，這也是出于對(duì)電壓驅(qū)動(dòng)的考慮。

2）電壓和電流的選擇。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù)，使MOSFET不會(huì)失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。設(shè)計(jì)工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應(yīng)用為450～600V。

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)電流連續(xù)通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過(guò)器件。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(gè)最大電流的器件便可。

3）計(jì)算導(dǎo)通損耗。MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計(jì)算，由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì)隨之按比例變化。對(duì)便攜式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會(huì)隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

4）計(jì)算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計(jì)人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對(duì)最壞情況的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會(huì)失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測(cè)量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。從下圖可以看到，導(dǎo)通瞬間的電壓電流乘積相當(dāng)大。一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò)，如果系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。