場(chǎng)效應管應用電路-詳解場(chǎng)效應管應用電路設計及基礎選型-KIA MOS管

信息來(lái)源：本站　日期：2018-06-29　

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場(chǎng)效應管應用電路

MOSFET廣泛使用在模擬電路與數字電路中，和我們的生活密不可分。MOSFET的優(yōu)勢在于：首先驅動(dòng)場(chǎng)效應管應用電路電路比較簡(jiǎn)單。MOSFET需要的驅動(dòng)電流比 BJT則小得多，而且通常可以直接由CMOS或者集電極開(kāi)路TTL驅動(dòng)電路驅動(dòng)；其次MOSFET的開(kāi)關(guān)速度比較迅速，能夠以較高的速度工作，因為沒(méi)有電荷存儲效應；另外MOSFET沒(méi)有二次擊穿失效機理，它在溫度越高時(shí)往往耐力越強，而且發(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內提供較好的性能。MOSFET已經(jīng)得到了大量應用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設備、智能手機以及其他便攜式數碼電子產(chǎn)品中隨處可見(jiàn)。

近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應用MOSFET產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來(lái)得到了快速的發(fā)展，功率MOSFET更是備受關(guān)注。據預測，2010-2015年中國功率MOSFET市場(chǎng)的總體復合年度增長(cháng)率將達到13.7%。雖然市場(chǎng)研究公司 iSuppli 表示由于宏觀(guān)的投資和經(jīng)濟政策和日本地震帶來(lái)的晶圓與原材料供應問(wèn)題，今年的功率MOSFET市場(chǎng)會(huì )放緩，但消費電子和數據處理的需求依然旺盛，因此長(cháng)期來(lái)看，功率MOSFET的增長(cháng)還是會(huì )持續一段相當長(cháng)的時(shí)間。

技術(shù)一直在進(jìn)步，功率MOSFET市場(chǎng)逐漸受到了新技術(shù)的挑戰。例如，業(yè)內有不少公司已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)GaN功率器件，并且斷言硅功率MOSFET的性能可提升的空間已經(jīng)非常有限。不過(guò)，GaN 對功率MOSFET市場(chǎng)的挑戰還處于非常初期的階段，MOSFET在技術(shù)成熟度、供應量等方面仍然占據明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，MOSFET市場(chǎng) 也不會(huì )輕易被新技術(shù)迅速替代。

五年甚至更長(cháng)的時(shí)間內，MOSFET仍會(huì )占據主導的位置。MOSFET也仍將是眾多剛入行的工程師都會(huì )接觸到的器件，本期半月談將會(huì )從基礎開(kāi)始，探討MOSFET的一些基礎知識，包括選型、關(guān)鍵參數的介紹、系統和散熱的考慮等等；

MOSFET的選型基礎

MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導通。導通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內阻，稱(chēng)為導通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱(chēng)之為漏電流，即IDSS。

作為電氣系統中的基本部件，工程師如何根據參數做出正確選擇呢？本文將討論如何通過(guò)四步來(lái)選擇正確的MOSFET。

1）溝道的選擇

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET.在典型的功率場(chǎng)效應管應用電路應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

2）電壓和電流的選擇

額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會(huì )失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS.設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應用為450~600V。

在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

3）計算導通損耗

MOSFET器件的功率耗損可由Iload2×RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

4）計算系統的散熱要求

設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

開(kāi)關(guān)損耗其實(shí)也是一個(gè)很重要的指標。從下圖可以看到，導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開(kāi)關(guān)性能。不過(guò)，如果系統對開(kāi)關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。

場(chǎng)效應管應用電路

場(chǎng)效應管應用案例解析

1. 開(kāi)關(guān)電源應用

從定義上而言，這種場(chǎng)效應管應用電路應用需要MOSFET定期導通和關(guān)斷。同時(shí)，有數十種拓撲可用于開(kāi)關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依靠?jì)蓚€(gè)MOSFET來(lái)執行開(kāi)關(guān)功能（下圖），這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量開(kāi)釋給負載。目前，設計職員經(jīng)常選擇數百kHz乃至1 MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

場(chǎng)效應管應用電路

2.馬達控制應用

馬達控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應用領(lǐng)域。典型的半橋式控制場(chǎng)效應管應用電路電路采用2個(gè)MOSFET （全橋式則采用4個(gè)），但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間（死區時(shí)間）相等。對于這類(lèi)應用，反向恢復時(shí)間（trr）非常重要。在控制電感式負載（比如馬達繞組）時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續為馬達供電。當第一個(gè)MOSFET再次導通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過(guò)第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。

3.汽車(chē)應用

過(guò)去的近20年里，汽車(chē)用功率MOSFET已經(jīng)得到了長(cháng)足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車(chē)電子系統中常遇到的掉載和系統能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現象，且其封裝簡(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時(shí)，電動(dòng)車(chē)窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數汽車(chē)的標配，在設計中需要類(lèi)似的功率器件。在這期間，隨著(zhù)電機、螺線(xiàn)管和燃油噴射器日益普及，車(chē)用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

汽車(chē)設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會(huì )使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì )使用60V裝置驅動(dòng)負載；當行業(yè)標準轉移至42V電池系統時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則場(chǎng)效應管應用電路應用于發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)器機組和高亮度放電（HID）前燈的控制場(chǎng)效應管應用電路電路。

汽車(chē)MOSFET驅動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門(mén)、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開(kāi)關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結點(diǎn)溫度極限下（-40度至175度，有時(shí)高達200度）的工作狀況，以及超越汽車(chē)使用壽命的高可靠性。

4. LED 燈具的驅動(dòng)

設計LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅動(dòng)而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過(guò)閾值電壓（VGS-TH）時(shí)MOSFET才開(kāi)始導通。因此，設計時(shí)必須注意柵極驅動(dòng)器負載能力必須足夠大，以保證在系統要求的時(shí)間內完成對等效柵極電容（CEI）的充電。

而MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無(wú)法降低Cin的值，但可以降低柵極驅動(dòng)回路信號源內阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數，加快開(kāi)關(guān)速度一般IC驅動(dòng)能力主要體現在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動(dòng)恒流IC。內置MOSFET的IC當然不用我們再考慮了，一般大于1A電流會(huì )考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適的驅動(dòng)能力，MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。

場(chǎng)效應管應用電路

一般IC的PWM OUT輸出內部集成了限流電阻，具體數值大小同IC的峰值驅動(dòng)輸出能力有關(guān)，可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動(dòng)能力 Rg選擇在10-20Ω左右。

一般的場(chǎng)效應管應用電路應用中IC的驅動(dòng)可以直接驅動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅動(dòng)走線(xiàn)不是直線(xiàn)，感量可能會(huì )更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅動(dòng)電阻進(jìn)行抑制。考慮到走線(xiàn)分布電容的影響，這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

場(chǎng)效應管應用電路

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個(gè)二極管。當瀉放電阻過(guò)小，由于走線(xiàn)電感的原因也會(huì )引起諧振（因此有些應用中也會(huì )在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻），但是由于二極管的反向電流不導通，此時(shí)Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。

估算導通損耗、輸出的要求和結區溫度的時(shí)候，就可以參考前文所指出的方法。

場(chǎng)效應管應用原理描述

MOSFET全稱(chēng)為Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，中文名稱(chēng)為金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應管。隨著(zhù)制造工藝的成熟，MOSFET兼有體積小、重量輕、耗電省、壽命長(cháng)等特點(diǎn)。而且MOSFET還有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點(diǎn)，因而獲得了廣泛的應用，特別是在大規模和超大規模集成場(chǎng)效應管應用電路電路中占有重要的地位。

作為一種場(chǎng)效應管（FET），MOSFET為單極型器件，即管子只有一種載流子（電子或空穴）導電。從導電載流子的帶電極性來(lái)看，MOSFET有N（電子型）溝道和P（空穴型）溝道之分；按照導電溝道形成機理不同，又有增強型（E型）和耗盡型（D型）的區別。忽略MOSFET的工作原理，不同類(lèi)型的管子特性比較如表3所示。

場(chǎng)效應管應用電路

表各種MOSFET的特性比較

由表3中可知，在MOSFET中，N溝道增強型的轉移特性有正的開(kāi)啟電壓，P溝道增強型則為負的；N溝道耗盡型的轉移特性有負的夾斷電壓，P溝道耗盡型則為正的。MOSFET的輸出特性曲線(xiàn)與BJT的類(lèi)似，不同的是輸出端口的漏極電流由柵源極電壓控制。因此，MOSFET是一種電壓控制電流的器件，輸出特性的分析也不一樣。

以N溝道增強型MOSFET AO3400A舉例，AO3400A的輸出特性如圖4所示。將曲線(xiàn)圖分為三個(gè)區域，分別為截止區、可變電阻區、飽和區（恒流區又稱(chēng)放大區）。

1、截止區

當時(shí)，導電溝道尚未形成，，為截止工作狀態(tài)。

2、可變電阻區

當時(shí)，MOSFET處于可變電阻區，此時(shí)輸出電阻受控制。

3、飽和區

當，且時(shí)，MOSFET進(jìn)入飽和區。不隨變化，而是由柵源極電壓控制。

場(chǎng)效應管應用電路

圖AO3400A輸出特性

二、場(chǎng)效應管應用方案論證

根據上述MOSFET的原理敘述，在上面提到的加熱控制電路中應該采用N溝道增強型MOSFET代替原有的BJT，這里選擇AO3400A，于是有如圖5所示的MOSFET共源極放大電路。由于MOSFET是電壓控制器件，所以提供合適的柵源極電壓，就可以建立合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使場(chǎng)效應管應用電路電路工作在正常狀態(tài)。

場(chǎng)效應管應用電路

圖 MOSFET加熱控制電路

根據N溝道增強型MOSFET AO3400A的數據手冊，AO3400A的開(kāi)啟電壓在常溫25℃下為。當環(huán)境溫度下降到10℃時(shí)，場(chǎng)效應管應用電路電路開(kāi)始工作。此時(shí)NTC型熱敏電阻的阻值增大至17.958kΩ，MOSFET導通，即柵源極電壓，在這里需要將分壓電阻的阻值調整為47kΩ。隨著(zhù)溫度的下降，柵源極電壓增大，流過(guò)發(fā)熱電阻的電流也隨著(zhù) 增大。

舉例說(shuō)明，當環(huán)境溫度下降到-20℃時(shí)，熱敏電阻的阻值增大至67.801kΩ，柵源極電壓增大至。使用萬(wàn)用表實(shí)測得到漏源極電壓，說(shuō)明MOSFET工作在可變電阻區內；同時(shí)測得漏極電流，可計算得到發(fā)熱電阻的功率為，實(shí)際發(fā)熱效果可靠，場(chǎng)效應管應用電路電路功能實(shí)現。