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功率MOSFET选型规则-功率MOSFET选型方法与步骤

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-06-03 浏览:-

壹芯微作为国内专业生产二三极管的生产厂家,生产技术已经是非常的成熟,进口的测试仪器,可以很好的帮组到客户朋友稳定好品质,也有专业的工程师在把控稳定质量,协助客户朋友解决一直客户自身解决不了的问题,每天会分享一些知识或者客户的一些问题,今天我们分享的是,功率MOSFET选型规则-功率MOSFET选型方法与步骤,请看下方

功率MOSFET恐怕是工程师们最常用的器件之一了,但你知道吗?关于MOSFET的器件选型要考虑方方面面的因素,小到选N型还是P型、封装类型,大到MOSFET的耐压、导通电阻等,不同的应用需求千变万化,下面这篇文章总结了MOSFET器件选型法则

一、功率MOSFET选型第一步:P管,还是N管?

功率MOSFET有两种类型:N沟道和P沟道,在系统设计的过程中选择N管还是P管,要针对实际的应用具体来选择,N沟道MOSFET选择的型号多,成本低;P沟道MOSFET选择的型号较少,成本高。如果功率MOSFET的S极连接端的电压不是系统的参考地,N沟道就需要浮地供电电源驱动、变压器驱动或自举驱动,驱动电路复杂;P沟道可以直接驱动,驱动简单。

需要考虑N沟道和P沟道的应用主要有:

(1)笔记本电脑、台式机和服务器等使用的给CPU和系统散热的风扇,打印机进纸系统电机驱动,吸尘器、空气净化器、电风扇等白家电的电机控制电路,这些系统使用全桥电路结构,每个桥臂上管可以使用P管,也可以使用N管。

(2)通信系统48V输入系统的热插拨MOSFET放在高端,可以使用P管,也可以使用N管。

(3)笔记本电脑输入回路串联的、起防反接和负载开关作用的二个背靠背的功率MOSFET,使用N沟道需要控制芯片内部集成驱动的充电泵,使用P沟道可以直接驱动。

1(1)风扇控制电路笔记本电脑、台式机和服务器等通常使用风扇给CPU和系统散热,打印机进纸系统使用电机驱动,吸尘器、空气净化器、电风扇等白家电的电机控制电路,都使用全桥电路结构,每个桥臂上管使用P管,下管使用N管,而且将P管和N管封装在一起,这样系统驱动简单,元件数量少,体积小,结构简洁,得到广泛使用。

功率MOSEFT选型

(2)大功率MOSFET或IGBT的驱动器大功率MOSFET或IGBT的驱动器有时候需要外接上、下对管组成的图腾驱动器来增强驱动的能力,使用MOSFET对管组成的图腾驱动器驱动速度非常快,因此在一些需要高速驱动的系统中得到使用。使用P管和N管封装在一起的对管组成的图腾驱动器,结构简单,元件数量少。

(3)次级同步整流电路在次级同步整流电路中,通常选用低导通电阻、低Qg的N沟道的功率MOSFET。现在的设计大多将同步整流功率MOSFET放在低端,而不是放在高端,优点是驱动简单,但带来的问题是:由于输出的地相对是浮动的,因此会产生EMI的问题。

有些客户的系统中有辅助的浮驱电源,这样就可以将N沟道同步整流功率MOSFET管放在高端。

功率MOSEFT选型

(4)通讯系统48V输入系统的热插拨如果是-48V的系统,热插拨的功率MOSFET使用N沟道类型,放在低端,可以直接驱动。

如果是+48V的系统,热插拨的功率MOSFET使用N沟道放在低端,虽然可以直接驱动,但输出地会产生浮动的问题。使用P沟道的功率管放在高端,驱动简单,但是这个电压规格的P沟道的功率管的导通电阻大,而且成本高,因此一些半导体公司就开发了一些热插拨的控制芯片,在芯片内部集成充电泵,实现自举浮动。

(5)笔记本电脑输入负载开关笔记本电脑输入电压为19V,进入系统前,通常在输入的回路串联二个背靠背的功率MOSFET,就是它们的D极是连接在一起的,这二个功率MOSFET有二个作用:

· 其中的一个相当于负载开关,限制输入的浪涌电流。

· 另一个实现输入防反接功能。

由于浮地的原因,这二个背靠背的功率管不能放在低端,也就是不能串联接入输入地,必须放在高端,也就是串联接入输入电源的正端回路。

以前这二个背靠背的功率管都采用P沟道的功率管,现在的系统对于成本和功耗的要求越来越高,P沟道的功率MOSFET的导通电阻大,正常工作的时候,静态功耗也比较大,而且成本也高,选型的种类少。为了解决高端自举驱动问题,一些半导体公司也开发了针对笔记本电脑应用的集成负载开关和电池充电等功能的控制芯片,在芯片内部集成充电泵,实现自举浮动。即便如此,仍然有些系统采用容易驱动的P管。

功率MOSEFT选型

笔记本电脑、电视机等应用中,板上的5V、3.3V等电源的负载开关,仍然采用驱动简单的P管作为控制管。

(6)CCFL的背光以前笔记本电脑的CCFL背光使用全桥或半桥电路,和风扇控制电路相似,每个桥臂上管使用P管,下管使用N管,而且将P管和N管封装在一起,这样的结构曾经得到广泛使用。后来LED背光的大量使用,CCFL逐渐退出这个市场。

二、N沟通和P沟道功率MOSFET结构

图1列出这二种沟道功率MOSFET的结构,都是沟槽型Trench结构。从结构上来看,衬底都是漏极D,但半导体的类型不同:N沟道的漏极是N型半导体,P沟道的漏极是P型半导体。

当N沟道的功率MOSFET的G极、S极加上正向电压后,在G极的下面的P型体区,就会形成一个非常薄的反型层N型,这样D极的N、反型层N、S极的N,就会形成导通的路径。

功率MOSEFT选型

P沟道的工作原理和N沟道类似,从上面导通过程可以看到:功率MOSFET是单极性器,N沟道的功率MOSFET只有电子导电,P沟道的功率MOSFET只有空穴导电。

硅半导体中,由于热能的存在,电子和空穴,统称为载流子,在晶格中不停的运动,与晶格的其它原子发生碰撞,使它们的运动发生偏转、减速或加速。电子和空穴二次碰撞间移动的距离称为平均自由程,通常用二次晶格碰撞的平均时间tc表示。

另外,电子和空穴,在电场的作用下,沿着特征的方向产生运动,这种运动称为载流子的漂移。载流子由于电场的作用在晶格中平均移动的速度称为漂移速度。载流子的漂移速度和电场成正比,比例系数称为迁移率u。

vn = -un e

vp = up e

功率MOSEFT选型

迁移率和tc成正比,由于空穴的有效质量比较大,因此在同样的掺杂浓度下,空穴的迁移率远小于电子,这意味着:同样的晶元面积,P沟道的功率MOSFET的导通电阻也远大于N沟道的功率MOSFET。

三、N沟通和P沟道功率MOSFET驱动

N沟道的功率MOSFET连接方式:电源输入正极连接到D极,由S极输出;驱动电压的正加在G极,驱动电压的负加在S极。

P沟道的功率MOSFET连接方式:电源输入正极连接到S极,由D极输出;驱动电压的正加在S极,驱动电压的负加在G极。

这样的连接方式导致二种沟道的功率MOSFET的驱动方式不同,P沟道的S极连接的是电源的正极,这个电压总是大于地电位,因此,相对于S极,只要将G极拉低到低于电源的电压一定的值,就可以导通,如图3所示,R1/R2将输入的电压分压,保证稳定时加在G、S上的最大电压不超过其额定值。

功率MOSEFT选型

N沟道的G极电压必须大于S极才能导通工作,如果S极连接到地电位,可以直接驱动,如图3所示,桥式电路桥臂的下管。如果S极的电压不是连接到地,如图3中桥式电路桥臂的上管,S极的电压是变动的,如果要驱动MOSFET正常的工作,必须保证在使用的过程,G极驱动信号的供电电源的负端连接在S极上。相对于系统的电源地,G极驱动信号的供电电源的负端相当于浮在S极上,就是常说的浮驱、浮地或自举电源。

四、如何选择,N沟通还是P沟道?

从上面的分析可以看到,如果功率MOSFET的S极连接的是输入电源的地,那么选用N沟道的功率MOSFET,可以直接驱动。如果功率MOSFET的S极连接的是输入电源正端,那么选用P沟道的功率MOSFET,也可以直接驱动。

对于一个桥式电路的上下桥臂,上管使用P沟道的功率MOSFET,可以直接驱动,驱动电路设计简单。如果上管选用N沟道的功率MOSFET,那么必须采用浮驱或自举电路,驱动电路比较复杂。对于下管,使用N沟道的功率MOSFET,可以直接驱动。

五、选取封装类型

功率MOSFET的沟道类型确定后,第二步就要确定封装,封装选取原则有:

(1)温升和热设计是选取封装最基本的要求

不同的封装尺寸具有不同的热阻和耗散功率,除了考虑系统的散热条件和环境温度,如是否有风冷、散热器的形状和大小限制、环境是否封闭等因素,基本原则就是在保证功率MOSFET的温升和系统效率的前提下,选取参数和封装更通用的功率MOSFET。

(2)系统的尺寸限制

有些电子系统受制于PCB的尺寸和内部的高度,如通信系统的模块电源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封装;在有些ACDC的电源中,使用超薄设计或由于外壳的限制,装配时TO220封装的功率MOSFET管脚直接插到根部,高度的限制不能使用TO247的封装。有些超薄设计直接将器件管脚折弯平放,这种设计生产工序会变复杂。

(3)公司的生产工艺

TO220有二种封装:裸露金属的封装和全塑封装,裸露金属的封装热阻小,散热能力强,但在生产过程中,需要加绝缘坠,生产工艺复杂成本高,而全塑封装热阻大,散热能力弱,但生产工艺简单。

为了减小锁螺丝的人工工序,近几年一些电子系统采用夹子将功率MOSFET夹在散热片中,这样就出现了将传统的TO220上部带孔的部分去除的新的封装形式,同时也减小的器件的高度。

(4)成本控制

在台式机主板、板卡等一些对成本极其敏感的应用中,通常采用DPAK封装的功率MOSFET,因为这种封装的成本低。

因此在选择功率MOSFET的封装时,要结合自己公司的风格和产品的特点,综合考虑上面因素。

六、选取耐压BVDSS

在大多数情况下,因为设计的电子系统输入电压是相对固定的,公司选取特定的供应商的一些料号,产品额定电压也是固定的。

数据表中功率MOSFET的击穿电压BVDSS有确定的测试条件,在不同的条件下具有不同的值,而且BVDSS具有正温度系数,在实际的应用中要结合这些因素综合考虑。

很多资料和文献中经常提到:如果系统中功率MOSFET的VDS的最高尖峰电压如果大于BVDSS,即便这个尖峰脉冲电压的持续只有几个或几十个ns,功率MOSFET也会进入雪崩从而发生损坏。

不同于三极管和IGBT,功率MOSFET具有抗雪崩的能力,而且很多大的半导体公司功率MOSFET的雪崩能量在生产线上是全检的、100%检测,也就是在数据中这是一个可以保证的测量值,雪崩电压通常发生在1.2~1.3倍的BVDSS,而且持续的时间通常都是μs、甚至ms级,那么持续只有几个或几十个ns、远低于雪崩电压的尖峰脉冲电压是不会对功率MOSFET产生损坏的。

七、由驱动电压选取VTH

不同电子系统的功率MOSFET选取的驱动电压并不相同,AC/DC电源通常使用12V的驱动电压,笔记本的主板DC/DC变换器使用5V的驱动电压,因此要根据系统的驱动电压选取不同阈值电压VTH的功率MOSFET。

数据表中功率MOSFET的阈值电压VTH也有确定的测试条件,在不同的条件下具有不同的值,VTH具有负温度系数。不同的驱动电压VGS对应着不同的导通电阻,在实际的应用中要考虑温度的变化,既要保证功率MOSFET完全开通,同时又要保证在关断的过程中耦合在G极上的尖峰脉冲不会发生误触发产生直通或短路。

八、选取导通电阻RDSON,注意:不是电流

工程师尽可能沿用以前项目中或物料库中现有的元件,对于RDSON的真正的选取方法并没有太多的考虑。当选用的功率MOSFET的温升太低,出于成本的考虑,会改用RDSON大一些的元件;当功率MOSFET的温升太高、系统的效率偏低,就会改用RDSON小一些的元件,或通过优化外部的驱动电路,改进散热的方式等来进行调整。

如果是一个全新的项目,没有以前的项目可循,那么如何选取功率MOSFET的RDSON?这里介绍一个方法给大家:功耗分配法。

当设计一个电源系统的时候,已知条件有:输入电压范围、输出电压/输出电流、效率、工作频率、驱动电压,当然还有其他的技术指标和功率MOSFET相关的主要是这些参数。步骤如下:

(1)根据输入电压范围、输出电压/输出电流、效率,计算系统的最大损耗。

(2)功率回路的杂散损耗,非功率回路元件的静态损耗,IC的静态损耗以及驱动损耗,做大致的估算,经验值可以占总损耗的10%~15%。如果功率回路有电流取样电阻,计算电流取样电阻的功耗。总损耗减去上面的这些损耗,剩下部分就是功率器件、变压器或电感的功率损耗。

将剩下的功率损耗按一定的比例分配到功率器件和变压器或电感中,不确定的话,按元件数目平均分配,这样就得到每个MOSFET的功率损耗。

(3)将MOSFET的功率损耗,按一定的比例分配给开关损耗和导通损耗,不确定的话,平均分配开关损耗和导通损耗。

(4)由MOSFET导通损耗和流过的有效值电流,计算最大允许的导通电阻,这个电阻是MOSFET在最高工作结温的RDSON。

数据表中功率MOSFET的RDSON标注有确定的测试条件,在不同的定义的条件下具有不同的值,测试的温度为:TJ=25℃,RDSON具有正温度系数,因此根据MOSFET最高的工作结温和RDSON温度系数,由上述RDSON计算值,得到25℃温度下对应的RDSON。

(5)由25℃的RDSON来选取型号合适的功率MOSFET,根据MOSFET的RDSON实际参数,向下或向上修整。

九、选取开关特性:Crss、Coss、Ciss;Qg、Qgd、Qoss

功率MOSFET在开关过程中产生开关损耗,开关损耗主要和这些开关特性参数有关。QG影响驱动损耗,这一部分损耗并不消耗在功率MOSFET中,而且是消耗在驱动IC中。QG越大,驱动损耗越大。

基于RDSON选取了功率MOSFET的型号后,这些开关特性参数都可以在数据表中查到,然后根据这些参数计算开关损耗。

十、热设计及校核

根据选取的功率MOSFET的数据表和系统的工作状态,计算其导通损耗和开关损耗,由总的功率损耗和工作的环境温度计算MOSFET的最高结温,校核其是否在设计的范围。所有条件基于最恶劣的条件,然后由计算的结果做相应的调整。

如果总的损耗偏大,大于分配的功率损耗,那么就要重新选取其他型号的功率MOSFET,可以查看比选取的功率MOSFE的RDSON更大或更小的其他型号,再次校核总的功率损耗,上述过程通常要配合第5、6步,经过几次的反复校验,最后确定与设计相匹配的型号,直到满足设计的要求。

十一、校核二极管特性

在桥式电路中如全桥、半桥、LLC以及BUCK电路的下管,有内部寄生二极管的反向恢复的问题,最简单的方法就是采用内部带快恢复二极管的功率MOSFET,如果内部不带快恢复二极管,就要考虑内部寄生二极管的反向恢复特性:Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2,如trr要小于250ns,这些参数影响着关断的电压尖峰、效率,以及可靠性,如在LLC的起动、短路中,系统进入容性模式、若二极管反向恢复性能较差,容易产生上下管直通而损坏的问题。如果控制器具有容性模式保护功能,就不用考虑这个因素。

十二、雪崩能量及UIS、dv/dt

雪崩能量及测试的条件参考下面的文章,有非常详细的详明。除了反激和一些电机驱动的应用,大多结构不会发生这种单纯的电压箝位的雪崩,很多应用情况下,二极管反向恢复过程中dv/dt、过温以及大电流的综合作用产生动态雪崩击穿损坏,相关的内容可参考文章。

十三、其他参数

内部RG的大小、负载开关和热插拨工作在线性区的问题、SOA特性,和EMI相关的参数、等等。

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