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mosfet器件选型需掌握的3大法则和知识理解与应用详解

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2020-09-12 浏览:-

mosfet器件选型需掌握的3大法则和知识理解与应用详解

mosfet器件概述

mosfet器件,金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管。是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型”的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称上包括NMOS、PMOS等。

mosfet器件的结构

M-Metal-导体,O-Oxide-氧化物(绝缘体),S-Semiconductor-半导体,F-Field,E-Effect,T-Transistor -场效应晶体管。前三个字母反应了它的结构,MOSFET就是由导体-氧化物-半导体三层结构组成的器件,而后三个字母则反应了他的工作特性,它是一个感应电压的晶体管。

mosfet器件

图1 MOSFET的结构

第一眼看到图1会感觉有些复杂,没关系不要紧,我们从简单的一点点来分析,首先看图2,这是一个简单的我们假想的半导体器件,虽然是假想的,但是不妨碍我们对其原理进行理解。这个我们意淫的器件同样是由导体、绝缘体、半导体三层结构组成,这个半导体是P型掺杂的还是N型掺杂的我们先不管,这里我们以P型掺杂的半导体为例。

mosfet器件

图2 一个简单的假想的半导体器件

图3左图,如果我们在导体和半导体两端加电压V1,因为有绝缘体在中间整个器件没有电流通过,但此时你有没有发现这个器件就是一个电容,导体和电源正极相连带正电荷,P型掺杂的半导体本来能用来导电的自由电子很少,但由于和电源负极相连,自由电子都聚集到和绝缘体相接的表面。这个自由电荷聚集的区域我们称为沟道,此时,沟道中没有电流,只有电荷,其电荷数量为。

mosfet器件

图3 加电压

这里的V就是V1,C就是导体和半导体形成的电容,知道了这个原理,我们可以得到下面两点初步的认识:

①当V1变大,电荷数量Q变大,沟道中自由电荷的密度增大;

②当绝缘体的厚度t_ox下降,则电容C变大,电荷数量变大,沟道中自由电荷的密度增大。

看图3右图,当在沟道的两端加电压V2,因为沟道中本身存在可以自由移动的电子,此时在沟道中就形成了电流。当V1增大时,电荷密度增加,导致沟道两端之间的电阻变小,导致电流增大。

有了上面的理论基础我们回过头来再看图1,是不是感觉亲切了很多,但是和图3相比,图1有四点值得注意:

①该器件在下面的P型半导体基板上注入了两块重掺杂的N型半导体。这是因为N型半导体能提供自由电子,对沟道中的电流传导有好处;

②所有的电压都是在上面加的,这是因为所有的MOSFET器件是做在晶圆上的,晶圆片的示意图如图4,其中蓝色的小方格表示一个个小器件,所以,电压只能从上面加,不可能从侧边和下面加。

mosfet器件

图4 晶圆片示意图

③图3有图有4个端口,即V1的两个端口和V2的两个端口,而图1只有源级S、漏极D和栅极G三个端口,这是因为习惯上把最下面的半导体基板作为参考电压为零,没有画出来。而且受源级S、漏极D和栅极G三个端口电压的影响,沟道两边的电压是不均匀的,靠近源级一侧的电压为V_GS,而靠近漏极一侧的电压为V_GD。

④MOSFET器件是对称的,哪一端是源级,那一端是漏极呢?对于图1的MOSFET(NMOS)来说,两个N型掺杂半导体上加电压低的一端是源级,这是因为NMOS靠电子导电,从电压低的一端流到电压高的一端,电压低的一端为电子的“源泉”。

mosfet器件的电学符号和电学特性

(一)电学符号

mosfet器件

图5 左为物理结构,右为电学符号

图5中左图为MOSFET的物理结构,右图为其电学符号,这里我画了4个是为了无论这个符号在电路图中怎么摆放,大家都应该认识。这里要大家特别注意的是:符号中的箭头不是栅极或漏极的标志,因为MOSFET是对称的,哪一端是漏极或栅极需要看所加电压的大小。这里的箭头只是区别NMOS还是PMOS,NMOS箭头向外如图中所示,PMOS箭头向里。一个简单的记忆方法是,箭头总是从P型半导体指向N型半导体(和二极管的箭头类似)。

(二)电学特性

研究一个器件最直接的一种方法就是在各个端口加电压,然后看看各个端口电流的一些性质,也就是研究该器件各个端口的伏安特性曲线。

Case I:如图6,在MOSFET栅极加电压,V_G>0,V_S=V_D=0。此时在沟道中聚集了电荷,电荷密度会随着V_G的增大而增大,但是没有电流。

mosfet器件

图6 Case I

Case II:如图7,在MOSFET栅极和漏极加电压,V_G>0,V_D>0,V_S=0。此时,V_G试沟道聚集了电荷,当V_G>V_TH时,电荷数量聚集达到一定程度,再当V_D>0时,在电压的驱动下自由电荷运动形成电流。

mosfet器件

图7 Case II

伏安特性:① 当V_G>V_TH为常数时,从直观上来看流过沟道的电流I_D随着V_D的增大而增大。② 当V_D为常数时,因为V_G越大,沟道中聚集的电子数量越多,相当于从沟道一端到另一端的电阻越小,那么从直观上来看流过沟道的电流I_D也会增大。

mosfet器件选型需掌握的3大法则

mosfet器件恐怕是工程师们最常用的器件之一了,但你知道吗?关于MOSFET的器件选型要考虑各方面的因素,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,下面会总结一些MOSFET器件选型的3大法则,希望对大家有帮助。

(一)功率MOSFET选型第一步:P沟道还是N沟道?

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沟道还是P沟道,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沟道的应用主要是:

(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,每个桥臂可以使用P沟道或者N沟道。

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

(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两个背靠背的功率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。

(二)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。

有时候由于其他条件的限制,需要使用多个MOSFET并联的方式来解决散热的问题,如在PFC应用、电动汽车电机控制器、通信系统的模块电源次级同步整流等应用中,都会选取多沟道并联的方式。

(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和DFN3*3的封装;在有些ACDC的电源中,由于使用超薄设计或由于外壳的限制,装配时TO220封装的功率MOSFET沟道脚直接插到根部,由于高度的限制不能使用TO247的封装。

有些超薄设计直接将器件沟道脚折弯平放,这种设计生产工序会变复杂。在大容量的锂电池保护板中,由于尺寸限制极为苛刻,现在大多使用芯片级的CSP封装,尽可能提高散热性能同时缩小尺寸。

(3)成本控制

早期很多电子系统使用插件封装,这几年由于人工成本增加,很多公司开始改用贴片封装,虽然贴片的焊接成本比插件高,但是贴片焊接的自动化程度高,总体成本仍然可以控制在合理的范围。在台式机的主板和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。

因此在选择功率MOSFET的封装时,要结合产品的特点,综合考虑上面因素选取适合的方案。

(三)选取导通电阻RDSON,注意:不是电

很多时候工程师关心RDSON,是因为RDSON和导通损耗直接相关。RDSON越小,功率MOSFET的导通损耗越小;效率越高、温升越低。

同样的,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、工作频率和驱动电压,当然还有其他的技术指标,但和功率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/输出电流和效率,计算系统的最大损耗。

(2)对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,则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)通过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,在不同的既定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)通过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。通过以上步骤,就可以初步选定功率MOSFET的型号和RDSON参数。

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