功率MOSFET選型原則-功率MOSFET選型方法與步驟-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-11-16
功率MOSFET恐怕是工程師們最常用的器件之一了，但你知道嗎？關(guān)于MOSFET的器件選型要考慮方方面面的因素，小到選N型還是P型、封裝類(lèi)型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變萬(wàn)化，下面這篇文章總結了MOSFET器件選型法則
功率MOSFET有兩種類(lèi)型：N溝道和P溝道，在系統設計的過(guò)程中選擇N管還是P管，要針對實(shí)際的應用具體來(lái)選擇，N溝道MOSFET選擇的型號多，成本低；P溝道MOSFET選擇的型號較少，成本高。如果功率MOSFET的S極連接端的電壓不是系統的參考地，N溝道就需要浮地供電電源驅動(dòng)、變壓器驅動(dòng)或自舉驅動(dòng)，驅動(dòng)電路復雜；P溝道可以直接驅動(dòng)，驅動(dòng)簡(jiǎn)單。
需要考慮N溝道和P溝道的應用主要有：
（1）筆記本電腦、臺式機和服務(wù)器等使用的給CPU和系統散熱的風(fēng)扇，打印機進(jìn)紙系統電機驅動(dòng)，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機控制電路，這些系統使用全橋電路結構，每個(gè)橋臂上管可以使用P管，也可以使用N管。
（2）通信系統48V輸入系統的熱插撥MOSFET放在高端，可以使用P管，也可以使用N管。
（3）筆記本電腦輸入回路串聯(lián)的、起防反接和負載開(kāi)關(guān)作用的二個(gè)背靠背的功率MOSFET，使用N溝道需要控制芯片內部集成驅動(dòng)的充電泵，使用P溝道可以直接驅動(dòng)。
1（1）風(fēng)扇控制電路筆記本電腦、臺式機和服務(wù)器等通常使用風(fēng)扇給CPU和系統散熱，打印機進(jìn)紙系統使用電機驅動(dòng)，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機控制電路，都使用全橋電路結構，每個(gè)橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣系統驅動(dòng)簡(jiǎn)單，元件數量少，體積小，結構簡(jiǎn)潔，得到廣泛使用。
（2）大功率MOSFET或IGBT的驅動(dòng)器大功率MOSFET或IGBT的驅動(dòng)器有時(shí)候需要外接上、下對管組成的圖騰驅動(dòng)器來(lái)增強驅動(dòng)的能力，使用MOSFET對管組成的圖騰驅動(dòng)器驅動(dòng)速度非常快，因此在一些需要高速驅動(dòng)的系統中得到使用。使用P管和N管封裝在一起的對管組成的圖騰驅動(dòng)器，結構簡(jiǎn)單，元件數量少。
（3）次級同步整流電路在次級同步整流電路中，通常選用低導通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET。現在的設計大多將同步整流功率MOSFET放在低端，而不是放在高端，優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)簡(jiǎn)單，但帶來(lái)的問(wèn)題是：由于輸出的地相對是浮動(dòng)的，因此會(huì )產(chǎn)生EMI的問(wèn)題。
有些客戶(hù)的系統中有輔助的浮驅電源，這樣就可以將N溝道同步整流功率MOSFET管放在高端。
（4）通訊系統48V輸入系統的熱插撥如果是-48V的系統，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道類(lèi)型，放在低端，可以直接驅動(dòng)。
如果是+48V的系統，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端，雖然可以直接驅動(dòng)，但輸出地會(huì )產(chǎn)生浮動(dòng)的問(wèn)題。使用P溝道的功率管放在高端，驅動(dòng)簡(jiǎn)單，但是這個(gè)電壓規格的P溝道的功率管的導通電阻大，而且成本高，因此一些半導體公司就開(kāi)發(fā)了一些熱插撥的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實(shí)現自舉浮動(dòng)。
（5）筆記本電腦輸入負載開(kāi)關(guān)筆記本電腦輸入電壓為19V，進(jìn)入系統前，通常在輸入的回路串聯(lián)二個(gè)背靠背的功率MOSFET，就是它們的D極是連接在一起的，這二個(gè)功率MOSFET有二個(gè)作用：
· 其中的一個(gè)相當于負載開(kāi)關(guān)，限制輸入的浪涌電流。
· 另一個(gè)實(shí)現輸入防反接功能。
由于浮地的原因，這二個(gè)背靠背的功率管不能放在低端，也就是不能串聯(lián)接入輸入地，必須放在高端，也就是串聯(lián)接入輸入電源的正端回路。
以前這二個(gè)背靠背的功率管都采用P溝道的功率管，現在的系統對于成本和功耗的要求越來(lái)越高，P溝道的功率MOSFET的導通電阻大，正常工作的時(shí)候，靜態(tài)功耗也比較大，而且成本也高，選型的種類(lèi)少。為了解決高端自舉驅動(dòng)問(wèn)題，一些半導體公司也開(kāi)發(fā)了針對筆記本電腦應用的集成負載開(kāi)關(guān)和電池充電等功能的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實(shí)現自舉浮動(dòng)。即便如此，仍然有些系統采用容易驅動(dòng)的P管。
筆記本電腦、電視機等應用中，板上的5V、3.3V等電源的負載開(kāi)關(guān)，仍然采用驅動(dòng)簡(jiǎn)單的P管作為控制管。
（6）CCFL的背光以前筆記本電腦的CCFL背光使用全橋或半橋電路，和風(fēng)扇控制電路相似，每個(gè)橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣的結構曾經(jīng)得到廣泛使用。后來(lái)LED背光的大量使用，CCFL逐漸退出這個(gè)市場(chǎng)。
圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結構，都是溝槽型Trench結構。從結構上來(lái)看，襯底都是漏極D，但半導體的類(lèi)型不同：N溝道的漏極是N型半導體，P溝道的漏極是P型半導體。
當N溝道的功率MOSFET的G極、S極加上正向電壓后，在G極的下面的P型體區，就會(huì )形成一個(gè)非常薄的反型層N型，這樣D極的N、反型層N、S極的N，就會(huì )形成導通的路徑。
P溝道的工作原理和N溝道類(lèi)似，從上面導通過(guò)程可以看到：功率MOSFET是單極性器，N溝道的功率MOSFET只有電子導電，P溝道的功率MOSFET只有空穴導電。
硅半導體中，由于熱能的存在，電子和空穴，統稱(chēng)為載流子，在晶格中不停的運動(dòng)，與晶格的其它原子發(fā)生碰撞，使它們的運動(dòng)發(fā)生偏轉、減速或加速。電子和空穴二次碰撞間移動(dòng)的距離稱(chēng)為平均自由程，通常用二次晶格碰撞的平均時(shí)間tc表示。
另外，電子和空穴，在電場(chǎng)的作用下，沿著(zhù)特征的方向產(chǎn)生運動(dòng)，這種運動(dòng)稱(chēng)為載流子的漂移。載流子由于電場(chǎng)的作用在晶格中平均移動(dòng)的速度稱(chēng)為漂移速度。載流子的漂移速度和電場(chǎng)成正比，比例系數稱(chēng)為遷移率u。
vn = -un e
vp = up e
遷移率和tc成正比，由于空穴的有效質(zhì)量比較大，因此在同樣的摻雜濃度下，空穴的遷移率遠小于電子，這意味著(zhù)：同樣的晶元面積，P溝道的功率MOSFET的導通電阻也遠大于N溝道的功率MOSFET。
N溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到D極，由S極輸出；驅動(dòng)電壓的正加在G極，驅動(dòng)電壓的負加在S極。
P溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到S極，由D極輸出；驅動(dòng)電壓的正加在S極，驅動(dòng)電壓的負加在G極。
這樣的連接方式導致二種溝道的功率MOSFET的驅動(dòng)方式不同，P溝道的S極連接的是電源的正極，這個(gè)電壓總是大于地電位，因此，相對于S極，只要將G極拉低到低于電源的電壓一定的值，就可以導通，如圖3所示，R1/R2將輸入的電壓分壓，保證穩定時(shí)加在G、S上的最大電壓不超過(guò)其額定值。
N溝道的G極電壓必須大于S極才能導通工作，如果S極連接到地電位，可以直接驅動(dòng)，如圖3所示，橋式電路橋臂的下管。如果S極的電壓不是連接到地，如圖3中橋式電路橋臂的上管，S極的電壓是變動(dòng)的，如果要驅動(dòng)MOSFET正常的工作，必須保證在使用的過(guò)程，G極驅動(dòng)信號的供電電源的負端連接在S極上。相對于系統的電源地，G極驅動(dòng)信號的供電電源的負端相當于浮在S極上，就是常說(shuō)的浮驅、浮地或自舉電源。
四、如何選擇，N溝通還是P溝道？
從上面的分析可以看到，如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源的地，那么選用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅動(dòng)。如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源正端，那么選用P溝道的功率MOSFET，也可以直接驅動(dòng)。
對于一個(gè)橋式電路的上下橋臂，上管使用P溝道的功率MOSFET，可以直接驅動(dòng)，驅動(dòng)電路設計簡(jiǎn)單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET，那么必須采用浮驅或自舉電路，驅動(dòng)電路比較復雜。對于下管，使用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅動(dòng)。
功率MOSFET的溝道類(lèi)型確定后，第二步就要確定封裝，封裝選取原則有：
不同的封裝尺寸具有不同的熱阻和耗散功率，除了考慮系統的散熱條件和環(huán)境溫度，如是否有風(fēng)冷、散熱器的形狀和大小限制、環(huán)境是否封閉等因素，基本原則就是在保證功率MOSFET的溫升和系統效率的前提下，選取參數和封裝更通用的功率MOSFET。
有些電子系統受制于PCB的尺寸和內部的高度，如通信系統的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝；在有些ACDC的電源中，使用超薄設計或由于外殼的限制，裝配時(shí)TO220封裝的功率MOSFET管腳直接插到根部，高度的限制不能使用TO247的封裝。有些超薄設計直接將器件管腳折彎平放，這種設計生產(chǎn)工序會(huì )變復雜。
TO220有二種封裝：裸露金屬的封裝和全塑封裝，裸露金屬的封裝熱阻小，散熱能力強，但在生產(chǎn)過(guò)程中，需要加絕緣墜，生產(chǎn)工藝復雜成本高，而全塑封裝熱阻大，散熱能力弱，但生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單。
為了減小鎖螺絲的人工工序，近幾年一些電子系統采用夾子將功率MOSFET夾在散熱片中，這樣就出現了將傳統的TO220上部帶孔的部分去除的新的封裝形式，同時(shí)也減小的器件的高度。
在臺式機主板、板卡等一些對成本極其敏感的應用中，通常采用DPAK封裝的功率MOSFET，因為這種封裝的成本低。
因此在選擇功率MOSFET的封裝時(shí)，要結合自己公司的風(fēng)格和產(chǎn)品的特點(diǎn)，綜合考慮上面因素。
在大多數情況下，因為設計的電子系統輸入電壓是相對固定的，公司選取特定的供應商的一些料號，產(chǎn)品額定電壓也是固定的。
數據表中功率MOSFET的擊穿電壓BVDSS有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，而且BVDSS具有正溫度系數，在實(shí)際的應用中要結合這些因素綜合考慮。
很多資料和文獻中經(jīng)常提到：如果系統中功率MOSFET的VDS的最高尖峰電壓如果大于BVDSS，即便這個(gè)尖峰脈沖電壓的持續只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns，功率MOSFET也會(huì )進(jìn)入雪崩從而發(fā)生損壞。
不同于三極管和IGBT，功率MOSFET具有抗雪崩的能力，而且很多大的半導體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產(chǎn)線(xiàn)上是全檢的、100%檢測，也就是在數據中這是一個(gè)可以保證的測量值，雪崩電壓通常發(fā)生在1.2～1.3倍的BVDSS，而且持續的時(shí)間通常都是μs、甚至ms級，那么持續只有幾個(gè)或幾十個(gè)ns、遠低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會(huì )對功率MOSFET產(chǎn)生損壞的。
不同電子系統的功率MOSFET選取的驅動(dòng)電壓并不相同，AC/DC電源通常使用12V的驅動(dòng)電壓，筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅動(dòng)電壓，因此要根據系統的驅動(dòng)電壓選取不同閾值電壓VTH的功率MOSFET。
數據表中功率MOSFET的閾值電壓VTH也有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，VTH具有負溫度系數。不同的驅動(dòng)電壓VGS對應著(zhù)不同的導通電阻，在實(shí)際的應用中要考慮溫度的變化，既要保證功率MOSFET完全開(kāi)通，同時(shí)又要保證在關(guān)斷的過(guò)程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會(huì )發(fā)生誤觸發(fā)產(chǎn)生直通或短路。
工程師盡可能沿用以前項目中或物料庫中現有的元件，對于RDSON的真正的選取方法并沒(méi)有太多的考慮。當選用的功率MOSFET的溫升太低，出于成本的考慮，會(huì )改用RDSON大一些的元件；當功率MOSFET的溫升太高、系統的效率偏低，就會(huì )改用RDSON小一些的元件，或通過(guò)優(yōu)化外部的驅動(dòng)電路，改進(jìn)散熱的方式等來(lái)進(jìn)行調整。
如果是一個(gè)全新的項目，沒(méi)有以前的項目可循，那么如何選取功率MOSFET的RDSON？這里介紹一個(gè)方法給大家：功耗分配法。
當設計一個(gè)電源系統的時(shí)候，已知條件有：輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率、工作頻率、驅動(dòng)電壓，當然還有其他的技術(shù)指標和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數。步驟如下：
（1）根據輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率，計算系統的最大損耗。
（2）功率回路的雜散損耗，非功率回路元件的靜態(tài)損耗，IC的靜態(tài)損耗以及驅動(dòng)損耗，做大致的估算，經(jīng)驗值可以占總損耗的10%～15%。如果功率回路有電流取樣電阻，計算電流取樣電阻的功耗。總損耗減去上面的這些損耗，剩下部分就是功率器件、變壓器或電感的功率損耗。
將剩下的功率損耗按一定的比例分配到功率器件和變壓器或電感中，不確定的話(huà)，按元件數目平均分配，這樣就得到每個(gè)MOSFET的功率損耗。
（3）將MOSFET的功率損耗，按一定的比例分配給開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，不確定的話(huà)，平均分配開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗。
（4）由MOSFET導通損耗和流過(guò)的有效值電流，計算最大允許的導通電阻，這個(gè)電阻是MOSFET在最高工作結溫的RDSON。
數據表中功率MOSFET的RDSON標注有確定的測試條件，在不同的定義的條件下具有不同的值，測試的溫度為：TJ=25℃，RDSON具有正溫度系數，因此根據MOSFET最高的工作結溫和RDSON溫度系數，由上述RDSON計算值，得到25℃溫度下對應的RDSON。
（5）由25℃的RDSON來(lái)選取型號合適的功率MOSFET，根據MOSFET的RDSON實(shí)際參數，向下或向上修整。
功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)損耗主要和這些開(kāi)關(guān)特性參數有關(guān)。QG影響驅動(dòng)損耗，這一部分損耗并不消耗在功率MOSFET中，而且是消耗在驅動(dòng)IC中。QG越大，驅動(dòng)損耗越大。
基于RDSON選取了功率MOSFET的型號后，這些開(kāi)關(guān)特性參數都可以在數據表中查到，然后根據這些參數計算開(kāi)關(guān)損耗。
根據選取的功率MOSFET的數據表和系統的工作狀態(tài)，計算其導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，由總的功率損耗和工作的環(huán)境溫度計算MOSFET的最高結溫，校核其是否在設計的范圍。所有條件基于最?lèi)毫拥臈l件，然后由計算的結果做相應的調整。
如果總的損耗偏大，大于分配的功率損耗，那么就要重新選取其他型號的功率MOSFET，可以查看比選取的功率MOSFE的RDSON更大或更小的其他型號，再次校核總的功率損耗，上述過(guò)程通常要配合第5、6步，經(jīng)過(guò)幾次的反復校驗，最后確定與設計相匹配的型號，直到滿(mǎn)足設計的要求。
在橋式電路中如全橋、半橋、LLC以及BUCK電路的下管，有內部寄生二極管的反向恢復的問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的方法就是采用內部帶快恢復二極管的功率MOSFET，如果內部不帶快恢復二極管，就要考慮內部寄生二極管的反向恢復特性：Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2，如trr要小于250ns，這些參數影響著(zhù)關(guān)斷的電壓尖峰、效率，以及可靠性，如在LLC的起動(dòng)、短路中，系統進(jìn)入容性模式、若二極管反向恢復性能較差，容易產(chǎn)生上下管直通而損壞的問(wèn)題。如果控制器具有容性模式保護功能，就不用考慮這個(gè)因素。
雪崩能量及測試的條件參考下面的文章，有非常詳細的詳明。除了反激和一些電機驅動(dòng)的應用，大多結構不會(huì )發(fā)生這種單純的電壓箝位的雪崩，很多應用情況下，二極管反向恢復過(guò)程中dv/dt、過(guò)溫以及大電流的綜合作用產(chǎn)生動(dòng)態(tài)雪崩擊穿損壞，相關(guān)的內容可參考文章。
內部RG的大小、負載開(kāi)關(guān)和熱插撥工作在線(xiàn)性區的問(wèn)題、SOA特性，和EMI相關(guān)的參數、等等。
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