MOSFET應(yīng)用案例解析
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時，有數(shù)十種拓撲可用于開關(guān)電源，這里考慮一個簡單的例子。DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關(guān)功能(下圖)，這些開關(guān)交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負載。目前，設(shè)計職員經(jīng)常選擇數(shù)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。開關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。
2.馬達控制應(yīng)用
馬達控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制電路采用2個MOSFET (全橋式則采用4個)，但這兩個MOSFET的關(guān)斷時間(死區(qū)時間)相等。對于這類應(yīng)用，反向恢復(fù)時間(trr) 非常重要。在控制電感式負載(比如馬達繞組)時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關(guān)經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導(dǎo)電流。于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為馬達供電。當(dāng)?shù)谝粋€MOSFET再次導(dǎo)通時，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr 越短，這種損耗越小。
3.汽車應(yīng)用
過去的近20年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時，電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。
汽車設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機控制設(shè)備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅(qū)動負載；當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應(yīng)用于發(fā)動機驅(qū)動器機組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。
汽車MOSFET驅(qū)動電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關(guān)頻率的范圍通常為10kHz 至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點溫度極限下（-40度至175度，有時高達200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。
4. LED 燈具的驅(qū)動。
設(shè)計LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅(qū)動而言，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(dǎo)通之前要先對該電容充電，當(dāng)電容電壓超過閾值電壓(VGS-TH)時MOSFET才開始導(dǎo)通。因此，設(shè)計時必須注意柵極驅(qū)動器負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容(CEI)的充電。
而MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅(qū)動回路信號源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度一般IC驅(qū)動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動恒流IC。內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然不用我們再考慮了，一般大于1A電流會考慮外置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(qū)動能力,MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容。
一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動輸出能力有關(guān)，可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動能力 Rg選擇在10-20Ω左右。
一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動可以直接驅(qū)動MOSFET，但是考慮到通常驅(qū)動走線不是直線，感量可能會更大,并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動電阻進行抑制.考慮到走線分布電容的影響,這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。
以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時為了保證柵極電荷快速瀉放，此時阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個二極管。當(dāng)瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會引起諧振(因此有些應(yīng)用中也會在這個二極管上串一個小電阻)，但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通,此時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(dǎo)通損耗、輸出的要求和結(jié)區(qū)溫度的時候，就可以參考前文所指出的方法。
MOSFET的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，遠非一兩篇文章可以概括。歡迎大家閱讀網(wǎng)站更多相關(guān)的內(nèi)容和鏈接，了解MOSFET在當(dāng)今發(fā)揮的日益重要的作用。
評論