功率器件心得――功率MOSFET心得

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。因此，要求同時(shí)輸出較大的電壓和電流。管子工作在接近極限狀態(tài)。一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。

功率MOSFET是較常使用的一類(lèi)功率器件。“MOSFET”是英文MetalOxideSemicoductorFieldEffectTransistor的縮寫(xiě)，譯成中文是“金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管”。它是由金屬、氧化物(SiO2或SiN)及半導(dǎo)體三種材料制成的器件。所謂功率MOSFET(PowerMOSFET)是指它能輸出較大的工作電流(幾安到幾十安)，用于功率輸出級(jí)的器件。功率MOSFET可分為增強(qiáng)型和耗盡型，按溝道分又可分為N溝道型和P溝道型。

做開(kāi)關(guān)電源，常用功率MOSFET。一般而言，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗;對(duì)ORing FET應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。

若設(shè)計(jì)人員試圖開(kāi)發(fā)尺寸最小、成本最低的電源，低導(dǎo)通阻抗更是加倍的重要。在電源設(shè)計(jì)中，每個(gè)電源常常需要多個(gè)ORing MOS管并行工作，需要多個(gè)器件來(lái)把電流傳送給負(fù)載。在許多情況下，設(shè)計(jì)人員必須并聯(lián)MOS管，以有效降低RDS(ON)。在DC電路中，并聯(lián)電阻性負(fù)載的等效阻抗小于每個(gè)負(fù)載單獨(dú)的阻抗值。比如，兩個(gè)并聯(lián)的2Ω電阻相當(dāng)于一個(gè)1Ω的電阻。因此，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)低RDS(ON)值的MOS管，具備大額定電流，就可以讓設(shè)計(jì)人員把電源中所用MOS管的數(shù)目減至最少。

除了RDS(ON)之外，在MOS管的選擇過(guò)程中還有幾個(gè)MOS管參數(shù)也對(duì)電源設(shè)計(jì)人員非常重要。許多情況下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該密切關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)上的安全工作區(qū)(SOA)曲線，該曲線同時(shí)描述了漏極電流和漏源電壓的關(guān)系。基本上，SOA定義了MOSFET能夠安全工作的電源電壓和電流。在ORing FET應(yīng)用中，首要問(wèn)題是：在“完全導(dǎo)通狀態(tài)”下FET的電流傳送能力。實(shí)際上無(wú)需SOA曲線也可以獲得漏極電流值。

做反激的時(shí)候常采用IRF540，其VDSS為100V，RDS=0.055歐，ID為22A。MOSFET在關(guān)斷瞬間，會(huì)承受到最大的電壓沖擊，這個(gè)最大電壓跟負(fù)載有很大關(guān)系：如果是阻性負(fù)載，那就是來(lái)自VCC端的電壓，但還需要考慮電源本身的質(zhì)量，如果電源質(zhì)量不佳，需要在前級(jí)加些必要的保護(hù)措施;如果是感性負(fù)載，那承受的電壓會(huì)大不少，因?yàn)殡姼性陉P(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)(電磁感應(yīng)定律)，其方向與VCC方向相同(楞次定律)，承受的最大電壓為VCC與感生電動(dòng)勢(shì)之和;如果是變壓器負(fù)載的話，在感性負(fù)載基礎(chǔ)上還需要再加上漏感引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

對(duì)于以上幾種負(fù)載情況，在計(jì)算出(或測(cè)出)最大電壓后，再留有20%~30%的裕量，就可以確定所需要的MOSFET的額定電壓VDS值。在這里需要說(shuō)的是，為了更好的成本和更穩(wěn)定的性能，可以選擇在感性負(fù)載上并聯(lián)續(xù)流二極管與電感在關(guān)斷時(shí)構(gòu)成續(xù)流回路，釋放掉感生能量來(lái)保護(hù)MOSFET，如果必要，還可以再加上RC緩沖電路(Snubber)來(lái)抑制電壓尖峰。(注意二極管方向不要接反。當(dāng)然，你也可以直接選擇VDS足夠大的MOSFET，前提是你不care成本。)

額定電壓確定后，電流就可以計(jì)算出來(lái)了。但這里需要考慮兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)是連續(xù)工作電流值和脈沖電流尖峰值(Spike和Surge)，這兩個(gè)參數(shù)決定你應(yīng)該選多大的額定電流值。

場(chǎng)效應(yīng)管是根據(jù)三極管的原理開(kāi)發(fā)出的新一代放大元件，功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管具有負(fù)的電流溫度系 數(shù)，可以避免它工作的熱不穩(wěn)定性和二次擊穿，適合于大功率和大電流工作條件下的應(yīng)用。功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管從驅(qū)動(dòng)模式上看，屬于電壓型驅(qū)動(dòng)控制元件， 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所需驅(qū)動(dòng)功率很小。采用功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)作為開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)，在啟動(dòng)或穩(wěn)態(tài)工作條件下，功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的峰值電流要比采用雙極型功率晶體管小得多。功率場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型功率晶體管之間的特性比較如下：

1. 驅(qū)動(dòng)方式：場(chǎng)效應(yīng)管是電壓驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小;功率晶體管是電流驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)條件選擇困難，驅(qū)動(dòng)條件會(huì)影響開(kāi)關(guān)速度。

2. 開(kāi)關(guān)速度：場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)少數(shù)載流子存儲(chǔ)效應(yīng)，溫度影響小，開(kāi)關(guān)工作頻率可達(dá)150KHz以上;功率晶體管有少數(shù)載流子存儲(chǔ)時(shí)間限制其開(kāi)關(guān)速度，工作頻率一般不超過(guò)50KHz。

3. 安全工作區(qū)：功率場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)二次擊穿，安全工作區(qū)寬;功率晶體管存在二次擊穿現(xiàn)象，限制了安全工作區(qū)。

4. 導(dǎo)體電壓：功率場(chǎng)效應(yīng)管屬于高電壓型，導(dǎo)通電壓較高，有正溫度系數(shù);功率晶體管無(wú)論耐電壓的高低，導(dǎo)體電壓均較低，具有負(fù)溫度系數(shù)。

5. 峰值電流：功率場(chǎng)效應(yīng)管在開(kāi)關(guān)電源中用做開(kāi)關(guān)時(shí)，在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較低;而功率晶體管在啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，峰值電流較高。

6. 產(chǎn)品成本：功率場(chǎng)效應(yīng)管的成本略高;功率晶體管的成本稍低。

7. 熱擊穿效應(yīng)：功率場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)熱擊穿效應(yīng);功率晶體管有熱擊穿效應(yīng)。

8. 開(kāi)關(guān)損耗：場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)損耗很小;功率晶體管的開(kāi)關(guān)損耗比較大。

另外，功率MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管大多集成有阻尼二極管，而雙極型功率晶體管大多沒(méi)有集成阻尼二極管。場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)的阻尼二極管可以為開(kāi)關(guān)電源感性線圈提供無(wú)功電流通路。所以，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管的源極電位高于漏極時(shí)，這個(gè)阻尼二極管導(dǎo)通，但在開(kāi)關(guān)電源中不能使用這個(gè)阻尼二極管，需要另外并聯(lián)超快速二極管。場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)的阻尼二極管在關(guān)斷過(guò)程中與一般二極管一樣存在反向恢復(fù)電流。此時(shí)二極管一方面承受著漏-源極之間急劇上升的電壓，另一方面又有反向恢復(fù)電流流過(guò)。