MOSFET在开关电源和汽车电子领域的应用

在上期的文章中，我们介绍了 MOSFET 的分类（回顾分类表如图 1）与大概应用，以 及对在具体应用中应该如何选择 MOSFET，同时对选择 MOS 时需要注意的各项参数进行了 概念性的解读。

图 1 MOSFET 的分类和应用领域

回顾一下，表中Planar 和Trench属于 VDMOS（垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管）， Lateral 属于 LDMOS（横向双扩散金属氧化物半导体场效应管）。Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench是由于技术变化形成的内部结构不同的MOS，SiC和GaN是由于半导体材料改变形成的不同的MOSFET。如图2，SiC和GaN目前属于高端MOS，具有低导通电阻、低开关损耗、高开关频率、高工作结温的特点，主要应用在汽车和航天领域。VDMOS主要应用于消费电子和家电产品。

图 2

美浦森具有Si VDMOS、Si SJ-MOS、SiC MOS，主要用于逆变器、镇流器、开关电源、PC电源、电视机电源、充电桩、电焊机电源、手机充电器电源（包括快充类型），针对不同功率的应用场合（如图3），对MOSFET有不同的选择。

图 3 MOSFET的不同功率应用

上次我们介绍了美浦森的SJ-MOS，通常应用在LED照明灯具中。为了获得到更大、更灵活的LED功率能力，外置MOSFET是几乎唯一的选择方式，IC需要合适的驱动能力，MOSFET输入电容是关键的参数。设计时必须注意栅极驱动器负载能力，足够大的负载能力保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电。而MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。使用者虽然无法降低Cin的值，但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。

SJMOS通态阻抗小，通态损耗小，结电容小，开关速度加快，开关损耗小，同时栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低。因此可以使得整体热损耗减小，降低因散热问题带来的负担，尽量少的避免损害LED的发光效果，同时在MOS过热时自动关断电路达到保护LED灯具的目的，并且Maplesemi的SJ-MOS采用多层外延工艺，具有良好的抗浪涌能力和EMI特性。

除LED应用以外，本次我们将从开关电源、汽车电子2个方面继续介绍Maplesemi的一些产品特性和应用。

先从开关电源说起，比如PC电源。PC电源大多是开关型电源，专门为机箱内部配件供电的设备，如主板、CPU、显卡、硬盘等，是电脑各部件供电的枢纽，是电脑的重要组成部分。如图4 所示，开关电源把220V交流电，转换成直流电，分别输送到各个元件，必须为所有的设备不间断地提供稳定连续的电流。PC电源里面最为核心的功率输出元件之一即为MOSFET。

图 4  PC电源拓扑图

降压转换器依靠MOSFET来执行开关功能，开关交替在电感里存储能量，然后把能量开释给负载。一般选择数百kHz至1MHz以上的频率，由于频率越高，磁性元件可以更小更轻。在开关电源应用中， MOSFET参数除了频率以外，还需要注意输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。

其次，在消费电子充电市场，无论是普通充电宝，还是如今已经广泛应用的快充市场，MOSFET也极为重要。

手机充电器有以高通QC、MTK PE、USB PD为主的三大快充标准。整个快充生态链已经多达数百款手机、充电器、移动电源、车充产品。实现快速充电必然需要加大充电功率，或提高电压（QC快充），或提高电流（PD快充）。大功率意味着充电器体积的增加，作为移动电子设备配件，充电器体积必须做到小型化，以方便随身携带，这对电源效率，温升提出了更高的要求，所以催生了同步整流（SR）的发展。

(SR: 同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗，可以大大提高DC／DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。)

在电源转换领域，输出直流电压不高的隔离式转换器都使用 MOSFET作为整流器件。同步整流器是用来取代二极管的，所以必须选择适当的方法，按照二极管的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM控制信号来形成，而PWM控制信号决定着开关型电路的不同状态。

在具体电路中选择MOSFET时，要注意以下两点，以选到较为合适的MOSFET。功率MOS管实际上是一个双向导电器件，由于工作原理的不同，而导致了其他一些方面的差异。例如：作为主开关的MOS管通常都是硬开关，因此要求开关速度快，以减小开关损耗；而作为整流/续流用的同步MOS管，则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特点，因此，虽然两者都是MOS管，但是它们的工作特性和损耗机理并不一样，对它们的性能参数要求也不一样。

如图3所示，移动电源功率在10W-100W之间。在充电中，MOSFET在不同电路位置有不同的需要（PWM型同步整流电路中可以在三个阶段使用MOSFET），针对不同的充电器，老式充电器或是快充，美浦森提供了多样MOSFET以满足不同功率充电器中不同电路位置的要求。

表格 1 美浦森在移动充电场合的推荐选型

以上是消费级的开关电源，工业开关电源一般使用的MOSFET的BVDSS在600V以上。在美浦森的产品中，SJMOS在工业开关电源较VDMOS更为合适。

在汽车电子领域，MOSFET应用需要更高要求。比如在AUTOMBILE HID LAMP BALLAST中，防反接电路、PWM驱动电路、全桥电路、续流电路等都需要MOSFET的参与。

图 5 汽车HID 使用MOS电路概览图

在车载逆变器中，防反接保护电路、推挽控制电路、全桥电路都可以见到不同规格的MOSFET（如图6）。

图 6车载逆变器使用MOS电路概览图

汽车MOSFET驱动电流的范围由2A至100A以上，导通电阻的范围为2mΩ至100mΩ。MOSFET的负载包括电机、阀门、灯、加热部件、电容性压电组件和DC/DC电源。开关频率的范围通常为10kHz至100kHz，因为电机控制不适用开关频率在20kHz以上，我们先将其拿开，另作一类（在之前的关于功率MOSFET当中已经详细地介绍过小功率的电机驱动，此处应为大功率）。其它的主要需求是UIS性能，极限结点温度的工作状况，以及超越汽车使用寿命的高可靠性。此外，功率MOSFET能够耐受汽车电子系统中常遇到的掉载和系统能量突变等引起的瞬态高压现象。同时，电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等应用已逐渐成为大多数汽车的标配，在设计中需要类似的功率器件。

汽车设备中所用的MOSFET器件涉及广泛的电压、电流和导通电阻范围。汽车电子中使用MOSFET的场合是极多的，甚至值得一篇完整的文章详细讲述，不同的部位需要不同要求的MOSFET。电机控制设备桥接配置会使用30V和40V击穿电压型号；而在控制负载突卸和突升启动情况的场合，会使用60V装置驱动负载；当行业标准转移至42V电池系统时，则需采用75V技术。高辅助电压的设备需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件则应用于发动机驱动器机组和高亮度放电（HID）前灯的控制电路。

而另作一类的电机驱动，比如75V左右的MOSFET在三项直流无刷电机中的应用，以后我们可能会详细介绍。

在汽车电子领域，除了以上介绍的部分，还有基于SiC的MOSFET用于电动汽车的车载充电装置，其中的关键部分是引逆变器。牵引逆变器为电动机提供牵引力，以推动车辆前进，特斯拉已经在一些车型中使用了SiC功率器件。在此之前，SiC MOSFET以低导通电阻、低开关损耗、高开关频率、高工作结温等优势在工业电子掀起了不小的浪潮。

给电动汽车充电的充电桩中，有很多SiC MOSFET应用部分，充电桩是目前SiC 应用的一大方向。如图7是车载充电中的部分DCDC电路，在其中大量使用了SiC MOSFET。一般需要的是BVDSS在1200V的SiC MOSFET。

图 7 车载充电中的部分DCDC电路使用SiC MOSFET

SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料（结构如图8）。与相同功率等级的Si MOSFET相比，SiC MOS导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。与传统硅基器件相比，SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍，导热系数是传统硅基器件的3倍，非常适合于高压应用。

因为相较而言SiC MOS跨导变化较低，VGS的较小变化不会引起很大的电流变化，所以SiC MOSFET驱动电路的设计时需要注意：

1、一般情况下，-5V＜VGS＜20V的范围能够发挥SiC MOSFET的性能，所以提供驱动电压的电源最好能够满足VDD=25V,VEE=-10V，才能够覆盖更广泛的SiC型号。

2、VGS电压必须有较快的上升沿和下降沿。

3、需要有最小正负电压的欠压锁定。

4、和硅基器件一样，需要有各种保护电路，过电流、短路、钳位等保护功能。

5、对于整个回路的布线尽可能地减小杂散电感，由于较快的开关速度，相对于硅基的要求更高，要求杂散电感尽可能小。