MOS管选型实际案例解析:图文并茂,全面掌握选型步骤与参数计算
0 2023-12-06
今天给大家介绍的是实际案例MOS管选型,主要是以下:
  • 1、选择MOS管的重要参数

  • 2、选择功率mos管的步骤

  • 3、为家用12V逆变器选择MOS管

  • 4、选择低功耗指示器/蜂鸣器 MOS管

  • 5、选择大功率、非PWM的MOS管

  • 6、为高功率PWM负载选择MOS管

一、选择mos管的重要参数

选择MOS时至关重要的2个参数是导通电阻Rds(on)栅极电荷 Qg。决定 MOSFET 性能的其他一些重要参数是击穿电压BVDSS体漏极二极管,当器件用作功率二极管时必须考虑这些参数,例如在同步续流操作模式下,以及可能影响开关时间和电压尖峰的固有电容。1、导通电阻,RDS(on)表示 MOS管 处于导通状态时漏极和源极端子之间的电阻。传导损耗取决于它,RDS(on) 的值越低,传导损耗越低。2、总栅极电荷,QG表示栅极驱动器打开/关闭器件所需的电荷。3、品质因数,FoM是 RDS(on) 和 QG 的乘积,说明了 MOSFET 的传导损耗和开关损耗。因此,MOS管 的效率取决于 RDS(on) 和 QG。4、击穿电压,BVDSS表示 MOSFET 在关断状态下能够维持的最大漏源电压。下图给出了为高功率PWM负载选择MOS管为高功率PWM负载选择MOS管


二、选择功率mos管的步骤

  • 1、找出应用的所有参数,例如最大电压、最大电流和工作温度
  • 2、找出电路的总负载
  • 3、计算 MOSFET 所需的峰值电流和峰值负载
  • 4、找出系统的效率
  • 5、计算有损耗的负载
  • 6、增加安全系数(视操作温度而定)
  • 7、检查设备是否将作为双向设备运行


三、为家用12V逆变器选择MOS管

假设已知的的参数是:
  • 输入 – 12V DC(铅酸电池)
  • 输出 – 230V AC
  • 负载 – 1000W
  • 峰值负载 – 2000W
  • 逆变器损耗 – 20%
1、考虑峰值负载时的最大功率输出。(计算时我们只考虑最大输出功率。)P_max=2000W总损耗为2000W的20%,所以总损耗为400W。2、找出总负载总负载=最大负载+损耗负载=2000W+400W=2400W3、计算峰值电流和峰值负载逆变器的输入侧有一个铅酸电池,其充电电压通常在 10V 到 14V 之间。因此,保持 20% 至 40% 的余量,输入将约为 6V 至 8V。电流=P/V=2400/6=400A4、计算电压选择最小 2 倍电压以保持系统稳定,因为在短路或峰值电流期间也会观察到电压尖峰。选择更高的电压更安全。最大电池电压(V_Bmax)=14VMOSFET额定值=2×14V=28V5、电流增加安全系数MOSFET 的安全工作区与温度有关。所以,为了使系统更安全,我们可能会取比计算电流高50%到80%的额定电流。安全系数设为 50%I_S.F.=400A+200A=600A因此,我们需要的 MOSFET 的额定电流应为 600A。因此,适合我们操作的 MOSFET 的额定值至少应为 600A 和 28V。

四、选择低功耗指示器/蜂鸣器 MOS管

在实际应用电路中,mos管的一个常见应用是驱动LED指示灯。LED或者蜂鸣器消耗 10mA-50mA 电流是正常的。你选择的微控制器可能无法在I/O引脚上吸收/提供那么大的电流,即使可以,也希望避免达到极限,这个时候就需要用到逻辑电平MOS管。微控制器直接逻辑电平MOS管微控制器直接逻辑电平MOS管,该MOS管从一个小型LED指示灯吸收电流。下图显示了这种情况,所需的完整规格如下:
    • 从漏极到源极的最大电流~ >500mA
    • 从漏极到源极的最大电压> 12V
    • 门 3v3 上的电压驱动
这个mos管的标准非常宽松,唯一比较严格的就是需要直接由3V3逻辑哦驱动。大多数微控制器以3V3逻辑驱动,但AVR和一些比较旧系列的Microchip 产品线除外。1、筛选不符合目标的MOS管这里主要是筛掉库存、切带(CT)、有源、N型和MOS(金属氧化物),筛掉 Cut Tape (CT)参数,主要是为了消除使用不同包装的重复SMT部件。2、选择驱动电压(最大 Rds On,最小 Rds On)这里主要是根据施加到栅极用来启动MOS管的电压来限制MOS管Max Rds On部分是 MOSFET 首次完全 “导通”时的电压。在此电压下,MOS管 将具有其最大 Rds 值。目标是施加高于 Min Rds On 的电压高于此点,Rds 将处于最低点。主要是以下:
  • 1.2V、2.5V
  • 1.5V
  • 1.8V、2.5V
  • 1.8V、2.7V
  • 2.5V
3、选择电流 - 连续漏极 (Id) MOS至少有12V的漏源电压(Vdss) ,可以使用低于Min Rds On电压规格的 MOSFET。如果MOS管的选项不够模拟可以扩大范围,将最小 Rds On高于 3v3 的部件包括在内,但是必须要确保查阅Datasheet,查看 3v3 栅极驱动电压下的 Rds 值。这里要确定的是电流 - 连续漏极 (Id)的要求
  • 440mA
  • 1.4A
  • 2.3A
  • 3.7A
  • 9.3A
根据以上条件,你可以筛选出中几个mos管。如果都差不多的情况下,我会选择便宜一点的那个,哈哈哈。

五、选择大功率、非PWM的MOS管

在这种情况下,选择MOS管的话,需要计算的比较多:
  • 最大负载为20A

  • 负载电压为24VDC

  • 来自驱动器的栅极电压为12VDC

  • 无脉宽调制

  • 没有可用的强制空气对流

这种情况下驱动LED阵列,加热器或者电机驱动等大型阻性负载很常见,假设我们驱动的设备都不是感性的。

1、初始 Rds方程当MOS管不是PWM时,作用就像一个跨越其漏极和源极的电阻。Rds 随温度降额而变化很大,也可能因为批次不一样而有差异。对于没有散热器的标准功率MOS应用,希望热量耗散的功率在1W以下,大部分标准都可以达到:

使用等式一,功率为1W、电流20A的Rds(on) 为 2.5m。2、选择Rds参数Rds On (Max) @ Id, Vgs≤2.5m漏源电压(Vdss)需要高于24VDC。由于负载可能会离开电路板,并且电线可能带有电感元件,应该多留一些余量,因此将漏源电压限制在40V以内。接着是Vgs (Max),要求是用12VDC驱动栅极,因此选择12V以上的MOS管。下图显示了在Datasheet中查阅的2个关键图表,由于将在12V驱动mos管。下图左边地图显示,20A 时,Rds 约为 1.9m。右图根据环境温度降低 Rds。假设处在这个环境下,因此不需要降额。
3、微调功耗方程在选择了MOS管之后,并且知道了实际的Rds值,可以微调功率方程

利用上面的公式,MOS管将作为热量耗散的功率为0.76W。根据这个值,我们粗略的确定MOS的预期结温是多少。4、计算MOS的结温计算MOS的结温假设室温为25℃,结温为25℃+47℃=72℃。虽然看起来这个温度很高,但是dattasheet中的给出的结温最大结温是175℃,如果这个结温太高的话,你可以选择具有较低结温的MOS管。

六、为高功率PWM负载选择MOS管

下图显示了PWM MOS管中的功耗是如何根据频率耗散的,这里要注意忽略功率损耗的实际值,因为实际上还是取决于MOS管。PWM MOSFET 中各种损耗的图表这里我也会忽略栅极损耗,损耗的传导部分是 MOSFET 的 Rds,当mos管完全导通时,就像一个从漏极到源极的电阻。该损耗与MOS管的开关频率无关。开关损耗随着频率的增加而迅速增加。这里最简单的方法是:当mos管导通或者关断时,漏极到源极的电阻很高。打开/关闭MOS(频率)所用的时间越多,转换过程中损失的功率越多。1、mos管选择标准
  1. 最大负载电流为20A
  2. 负载电压为24VDC
  3. 来自驱动器的栅极电压为 12VDC
  4. PWM 频率为 1KHz -> 10KHz
  5. 没有可用的强制空气对流
  6. 我们将使用NCP81074A 栅极驱动器,它可以提供高达 10A 的电流。
  7. 5R1栅极电阻,栅极驱动电流为4.7A
2、选择MOS管
  • Rds On (Max) @ Id、Vgs <2.5m,因为我希望这个 MOSFET 能够以 100% 的占空比驱动负载。
  • 漏源电压(Vdss)至 40VVgs (Max) 高于 12V
这里要怎么确保可以处理10KHZ的驱动,这里就按栅极电荷 (Qg) (Max) @ Vgs 的升序对零件进行排序。将数量的电荷注入mos管的栅极使其完全导通,栅极电荷越低,MOS管在给定栅极电流下导通的速度就越快。3、根据栅极电荷选择MOS管希望可以找到一个低 Rds 和低栅极电荷的MOS管。这里可以看下图。左边是实际的栅极电荷,基于栅极驱动电压。由于图表上的Vgs停止在10V,可以假设在12V时与它大致相同,因此使用80nC 的 Qg 进行计算。在 20A 和 10V 的 Vgs 下,Rds 大约为 0.85m,低于第一个案例中使用的mos管,因为可以正常使用。左边是 Vgs 与 Qc,右边是 Rds 与 Id。4、微调静态功耗工程选择了mos管以后,微调静态功耗,如下所示,MOS管的静态传导损耗为0.34W。

5、计算上下升时间如下图,MOSFET 的上升时间为 17.02ns。我们可以对此进行推断并假设下降时间也为 17.02ns。这意味着 MOSFET 用于开关的总时间为 34.04ns。将该时间更改为频率可以得到大约 30MHz。使用栅极电荷,我们可以计算上升/下降时间使用下图中的图形,可以看到,对于 10KHz 的 PWM 频率,方波的总周期时间等于 100us。由于两个 17ns 的开关转换只占总时间的一小部分,我们可以假设它们的功率损耗可以忽略不计。通常如果开关转换时间小于总时间的 0.5%,可以正常使用 MOSFET。如果它到达它占用大部分时间的位置,则存在传导损耗被切换淹没的风险,并且会过热。方波图形,绝大部分时间都花在开关机上,而不是过渡时间。


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