場(chǎng)效應(yīng)管的選擇方法

功率器件在生活中處處可見,在很多電子產(chǎn)品中扮演重要角色，場(chǎng)效應(yīng)管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。本文講解場(chǎng)效應(yīng)管的選型方法。

場(chǎng)效應(yīng)管的優(yōu)勢(shì)在于：首先驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單。場(chǎng)效應(yīng)管需要的驅(qū)動(dòng)電流比BJT則小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開路TTL驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng);其次場(chǎng)效應(yīng)管的開關(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);另外場(chǎng)效應(yīng)管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。場(chǎng)效應(yīng)管已經(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)用場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展，功率場(chǎng)效應(yīng)管更是備受關(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的晶圓與原材料供應(yīng)問題，今年的功率場(chǎng)效應(yīng)管市場(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)期來看，功率場(chǎng)效應(yīng)管的增長(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，功率場(chǎng)效應(yīng)管市場(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，并且斷言硅功率場(chǎng)效應(yīng)管的性能可提升的空間已經(jīng)非常有限。不過，GaN 對(duì)功率場(chǎng)效應(yīng)管市場(chǎng)的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段，場(chǎng)效應(yīng)管在技術(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，場(chǎng)效應(yīng)管市場(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)，場(chǎng)效應(yīng)管仍會(huì)占據(jù)主導(dǎo)的位置。場(chǎng)效應(yīng)管也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩?huì)接觸到的器件，本期內(nèi)容將會(huì)從基礎(chǔ)開始，探討場(chǎng)效應(yīng)管的一些基礎(chǔ)知識(shí)，包括選型、關(guān)鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等為大家做一些介紹。

一.場(chǎng)效應(yīng)管的基礎(chǔ)選型

場(chǎng)效應(yīng)管有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，場(chǎng)效應(yīng)管可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道場(chǎng)效應(yīng)管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)。必須清楚場(chǎng)效應(yīng)管的柵極是個(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場(chǎng)效應(yīng)管。

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溝道場(chǎng)效應(yīng)管。在典型的功率應(yīng)用中，當(dāng)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管接地，而負(fù)載連接到干線電壓上時(shí)，該場(chǎng)效應(yīng)管就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應(yīng)采用N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，這是出于對(duì)關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管連接到總線及負(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)渲胁捎肞溝道場(chǎng)效應(yīng)管，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)，使場(chǎng)效應(yīng)管不會(huì)失效。就選擇場(chǎng)效應(yīng)管而言，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，場(chǎng)效應(yīng)管處于穩(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。場(chǎng)效應(yīng)管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。

需要提醒設(shè)計(jì)人員，一般來說MOS管規(guī)格書標(biāo)注的Id電流是MOS管芯片的最大常態(tài)電流，實(shí)際使用時(shí)的最大常態(tài)電流還要受封裝的最大電流限制。因此客戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)的最大使用電流設(shè)定要考慮封裝的最大電流限制。建議客戶設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)的最大使用電流設(shè)定更重要的是要考慮MOS管的內(nèi)阻參數(shù)。

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。在場(chǎng)效應(yīng)管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)管的選型及應(yīng)用概覽