場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路-詳解場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)選型-KIA MOS管

信息來源：本站　日期：2018-06-29　

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場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

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)場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路比較簡單。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或者集電極開路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)；其次MOSFET的開關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因?yàn)闆]有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)；另外MOSFET沒有二次擊穿失效機(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。

近年來，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年中國功率MOSFET市場(chǎng)的總體復(fù)合年度增長率將達(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的晶圓與原材料供應(yīng)問題，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，因此長期來看，功率MOSFET的增長還是會(huì)持續(xù)一段相當(dāng)長的時(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，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；

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)，其開關(guān)導(dǎo) 通。導(dǎo)通時(shí)，電流可經(jīng)開關(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)，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。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四步來選擇正確的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.在典型的功率場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路應(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)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(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)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過器件。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)來說，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關(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對(duì)開關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用案例解析

1. 開關(guān)電源應(yīng)用

從定義上而言，這種場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠兩個(gè)MOSFET來執(zhí)行開關(guān)功能（下圖），這些開關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量開釋給負(fù)載。目前，設(shè)計(jì)職員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

2.馬達(dá)控制應(yīng)用

馬達(dá)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路采用2個(gè)MOSFET （全橋式則采用4個(gè)），但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）相等。對(duì)于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時(shí)間（trr）非常重要。在控制電感式負(fù)載（比如馬達(dá)繞組）時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達(dá)供電。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)MOSFET再次導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲(chǔ)的電荷必須被移除，通過第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。

3.汽車應(yīng)用

過去的近20年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷囯娮酉到y(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時(shí)，電動(dòng)車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

汽車設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機(jī)控制設(shè)備橋接配置會(huì)使用30V和40V擊穿電壓型號(hào)；而在必須控制負(fù)載突卸和突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì)使用60V裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載；當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)組和高亮度放電（HID）前燈的控制場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路。

汽車MOSFET驅(qū)動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負(fù)載包括電機(jī)、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機(jī)控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點(diǎn)溫度極限下（-40度至175度，有時(shí)高達(dá)200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

4. LED 燈具的驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時(shí)MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容（CEI）的充電。

而MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動(dòng)能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動(dòng)恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然不用我們?cè)倏紤]了，一般大于1A電流會(huì)考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適的驅(qū)動(dòng)能力，MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動(dòng)輸出能力有關(guān)，可以近似認(rèn)為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右。

一般的場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路應(yīng)用中IC的驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動(dòng)走線不是直線，感量可能會(huì)更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行抑制?？紤]到走線分布電容的影響，這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個(gè)二極管。當(dāng)瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會(huì)引起諧振（因此有些應(yīng)用中也會(huì)在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻），但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通，此時(shí)Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。

估算導(dǎo)通損耗、輸出的要求和結(jié)區(qū)溫度的時(shí)候，就可以參考前文所指出的方法。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用原理描述

MOSFET全稱為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。隨著制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長等特點(diǎn)。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在大規(guī)模和超大規(guī)模集成場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路中占有重要的地位。

作為一種場(chǎng)效應(yīng)管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導(dǎo)電。從導(dǎo)電載流子的帶電極性來看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導(dǎo)電溝道形成機(jī)理不同，又有增強(qiáng)型（E型）和耗盡型（D型）的區(qū)別。忽略MOSFET的工作原理，不同類型的管子特性比較如表3所示。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

表各種MOSFET的特性比較

由表3中可知，在MOSFET中，N溝道增強(qiáng)型的轉(zhuǎn)移特性有正的開啟電壓，P溝道增強(qiáng)型則為負(fù)的；N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性有負(fù)的夾斷電壓，P溝道耗盡型則為正的。MOSFET的輸出特性曲線與BJT的類似，不同的是輸出端口的漏極電流由柵源極電壓控制。因此，MOSFET是一種電壓控制電流的器件，輸出特性的分析也不一樣。

以N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線圖分為三個(gè)區(qū)域，分別為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、飽和區(qū)（恒流區(qū)又稱放大區(qū)）。

1、截止區(qū)

當(dāng) 時(shí)，導(dǎo)電溝道尚未形成，，為截止工作狀態(tài)。

2、可變電阻區(qū)

當(dāng) 時(shí)，MOSFET處于可變電阻區(qū)，此時(shí)輸出電阻受控制。

3、飽和區(qū)

當(dāng) ，且時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)。不隨變化，而是由柵源極電壓控制。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

圖AO3400A輸出特性

二、場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用方案論證

根據(jù)上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應(yīng)該采用N溝道增強(qiáng)型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓，就可以建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路工作在正常狀態(tài)。

場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路

圖 MOSFET加熱控制電路

根據(jù)N溝道增強(qiáng)型MOSFET AO3400A的數(shù)據(jù)手冊(cè)，AO3400A的開啟電壓在常溫25℃下為。當(dāng)環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路開始工作。此時(shí)NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導(dǎo)通，即柵源極電壓，在這里需要將分壓電阻的阻值調(diào)整為47kΩ。隨著溫度的下降，柵源極電壓增大，流過發(fā)熱電阻的電流也隨著增大。

舉例說明，當(dāng)環(huán)境溫度下降到-20℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至。使用萬用表實(shí)測(cè)得到漏源極電壓，說明MOSFET工作在可變電阻區(qū)內(nèi)；同時(shí)測(cè)得漏極電流，可計(jì)算得到發(fā)熱電阻的功率為，實(shí)際發(fā)熱效果可靠，場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路電路功能實(shí)現(xiàn)。