原创功率MOSFET选型的几点经验【附PDF下载】

 2009-11-13 14:59  7852 16 22 分类: 模拟

【PDF下载】功率MOSFET选型的几点经验<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

作者：<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />Hugo Yu

使用功率MOSFET也有两年多时间了，这方面的技术文章看了不少，但实际应用选型方面的文章不是很多。在此，根据学到的理论知识和实际经验，和广大同行一起分享、探讨交流下功率MOSFET的选型。

由于相应理论技术文章有很多介绍MOSFET参数和性能的，这里不作赘述，只对实际选型用图解和简单公式作简单通俗的讲解。另外，这里的功率MOSFET应用选型为功率开关应用，对于功率放大应用不一定适用。不正之处，希望大家不吝指正。

功率MOSFET的分类及优缺点

和小功率MOSFET类似，功率MOSFET也有分为N沟道和P沟道两大类；每个大类又分为增强型和耗尽型两种。虽然耗尽型较之增强型有不少的优势（请查阅资料，不详述），但实际上大部分功率MOSFET都是增强型的。（可能因为实际的制作工艺无法达到理论要求吧，看来理论总是跟实际有差距的，哈哈）

MOSFET是电压控制型器件，三极管是电流控制型器件，这里说的优缺点当然是要跟功率三极管(GTR)来做比较的：优点—开关速度快、输入阻抗高、驱动方便等；缺点—难以制成高电压、大电流型器件，这是因为耐压高的功率MOSFET的通态电阻较大的缘故。

言归正传，下面来看看具体如何选型—

功率MOSFET的选型

1. 我的应用该选择哪种类型的MOSFET？

前面说了，实际应用主要使用增强型功率MOSFET，但到底该选择N沟道的还是P沟道的呢？如果你对这个问题有疑问，下面的图和注释会让你一目了然！

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负载（Load）的连接方式决定了所选MOSFET的类型，这是出于对驱动电压的考虑。当负载接地时，采用P沟道MOSFET；当负载连接电源电压时，选择N沟道MOSFET。

2. 确定额定电压与额定电流

选好MOSFET的类型后，接下来要做的是确定在你的设计中，漏极和源级间可能承受的最大电压，即最大V_DS。MOSFET能承受的最大电压会随温度变化，这是我们工程师在设计时必须考虑到的，必须在整个可能工作温度范围内测试电压变化范围。

接下来，说点实际的—

MOSFET在关断瞬间，会承受到最大的电压冲击，这个最大电压跟负载有很大关系：如果是阻性负载，那就是来自V_CC端的电压，但还需要考虑电源本身的质量，如果电源质量不佳，需要在前级加些必要的保护措施；如果是感性负载，那承受的电压会大不少，因为电感在关断瞬间会产生感生电动势（电磁感应定律），其方向与V_CC方向相同（楞次定律），承受的最大电压为V_CC与感生电动势之和；如果是变压器负载的话，在感性负载基础上还需要再加上漏感引起的感应电动势。

对于以上几种负载情况，在计算出（或测出）最大电压后，再留有20%~30%的裕量，就可以确定所需要的MOSFET的额定电压V_DS值。在这里需要说的是，为了更好的成本和更稳定的性能，可以选择在感性负载上并联续流二极管与电感在关断时构成续流回路，释放掉感生能量来保护MOSFET，如果必要，还可以再加上RC缓冲电路（Snubber）来抑制电压尖峰。（注意二极管方向不要接反。当然，你也可以直接选择V_DS足够大的MOSFET，前提是你不care成本。）

额定电压确定后，电流就可以计算出来了。但这里需要考虑两个参数：一个是连续工作电流值和脉冲电流尖峰值（Spike和Surge），这两个参数决定你应该选多大的额定电流值。

3. 导通电阻R_DS对于散热需求的意义

选好了MOSFET的类型和额定电压电流后，并不意味着你就已经选好了MOSFET。告诉你，没这么简单！

对于做工程的工程师来说，设计是要做成最后的产品的，而产品有外壳或者封装，这必然对器件有空间要求。如果你有足够的空间来安装足够满足需求的散热装置，OK，那你已经可以定型你要的MOSFET了！但情况往往不是你想要的，你的产品也许外形非常小，或者你的产品外形非常薄，压根就不允许你安装额外的散热片，这时候怎么选MOSFET呢？这就是我下面要说的两种情况了—

a) 允许在器件（贴片）下覆较大面积的铜，这就是所谓的PCB散热了，那么就要根据面积计算该PCB散热片的热阻（器件供应商一般会提供单位面积PCB散热片的热阻参数），然后再计算器件总的热阻。

b) 不允许在贴片器件下铺设大面积的覆铜，那热阻就是器件本身的热阻了：R_θJC+ R_θJC，这种情况下的热阻是三种情况中最大的。

得到了热阻值之后，再根据你的系统具体工作温度情况计算出器件的总功耗。然后可以估算出MOSFET的R_DS值。（关于热阻和功耗的具体理论和计算在我的另一篇博文《功率电子电路布局布线及散热处理》中有详细介绍。）

下面来具体讲讲如何根据功耗来估算R_DS值--

在《功率…》一文中讲过，功率器件的导通损耗和开关损耗构成了器件的总功耗。对于MOSFET来说，由于开关速度快，在估算时可以近似认为导通损耗为主要损耗。这样用总功耗除以工作电流的平方得到R_DS。R_DS≈P/I²_LOAD当然，导通电阻值也是需要留有一定裕量的，因为这是近似计算的结果。这里计算需要考虑的情况是，导通电阻值是随温度而变化的（可选最大值作选择依据），而且也会受V_GS影响（V_GS越大，R_DS越小），设计时要根据系统实际情况设定V_GS值。