功率MOSFET選型原則-功率MOSFET選型方法與步驟-KIA MOS管
信息來源：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、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導(dǎo)通電阻等，不同的應(yīng)用需求千變?nèi)f化，下面這篇文章總結(jié)了MOSFET器件選型法則
功率MOSFET有兩種類型：N溝道和P溝道，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中選擇N管還是P管，要針對實(shí)際的應(yīng)用具體來選擇，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(tǒng)的參考地，N溝道就需要浮地供電電源驅(qū)動、變壓器驅(qū)動或自舉驅(qū)動，驅(qū)動電路復(fù)雜；P溝道可以直接驅(qū)動，驅(qū)動簡單。
需要考慮N溝道和P溝道的應(yīng)用主要有：
（1）筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器等使用的給CPU和系統(tǒng)散熱的風(fēng)扇，打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路，這些系統(tǒng)使用全橋電路結(jié)構(gòu)，每個橋臂上管可以使用P管，也可以使用N管。
（2）通信系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)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(fù)載開關(guān)作用的二個背靠背的功率MOSFET，使用N溝道需要控制芯片內(nèi)部集成驅(qū)動的充電泵，使用P溝道可以直接驅(qū)動。
1（1）風(fēng)扇控制電路筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器等通常使用風(fēng)扇給CPU和系統(tǒng)散熱，打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)使用電機(jī)驅(qū)動，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路，都使用全橋電路結(jié)構(gòu)，每個橋臂上管使用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(tǒng)驅(qū)動簡單，元件數(shù)量少，體積小，結(jié)構(gòu)簡潔，得到廣泛使用。
（2）大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器有時候需要外接上、下對管組成的圖騰驅(qū)動器來增強(qiáng)驅(qū)動的能力，使用MOSFET對管組成的圖騰驅(qū)動器驅(qū)動速度非常快，因此在一些需要高速驅(qū)動的系統(tǒng)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(qū)動器，結(jié)構(gòu)簡單，元件數(shù)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(dǎo)通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET。現(xiàn)在的設(shè)計(jì)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(qū)動簡單，但帶來的問題是：由于輸出的地相對是浮動的，因此會產(chǎn)生EMI的問題。
有些客戶的系統(tǒng)中有輔助的浮驅(qū)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(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥如果是-48V的系統(tǒng)，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道類型，放在低端，可以直接驅(qū)動。
如果是+48V的系統(tǒng)，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端，雖然可以直接驅(qū)動，但輸出地會產(chǎn)生浮動的問題。使用P溝道的功率管放在高端，驅(qū)動簡單，但是這個電壓規(guī)格的P溝道的功率管的導(dǎo)通電阻大，而且成本高，因此一些半導(dǎo)體公司就開發(fā)了一些熱插撥的控制芯片，在芯片內(nèi)部集成充電泵，實(shí)現(xiàn)自舉浮動。
（5）筆記本電腦輸入負(fù)載開關(guān)筆記本電腦輸入電壓為19V，進(jìn)入系統(tǒng)前，通常在輸入的回路串聯(lián)二個背靠背的功率MOSFET，就是它們的D極是連接在一起的，這二個功率MOSFET有二個作用：
· 其中的一個相當(dāng)于負(fù)載開關(guān)，限制輸入的浪涌電流。
· 另一個實(shí)現(xiàn)輸入防反接功能。
由于浮地的原因，這二個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。
以前這二個背靠背的功率管都采用P溝道的功率管，現(xiàn)在的系統(tǒng)對于成本和功耗的要求越來越高，P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻大，正常工作的時候，靜態(tài)功耗也比較大，而且成本也高，選型的種類少。為了解決高端自舉驅(qū)動問題，一些半導(dǎo)體公司也開發(fā)了針對筆記本電腦應(yīng)用的集成負(fù)載開關(guān)和電池充電等功能的控制芯片，在芯片內(nèi)部集成充電泵，實(shí)現(xiàn)自舉浮動。即便如此，仍然有些系統(tǒng)采用容易驅(qū)動的P管。
筆記本電腦、電視機(jī)等應(yīng)用中，板上的5V、3.3V等電源的負(fù)載開關(guān)，仍然采用驅(qū)動簡單的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(jié)構(gòu)曾經(jīng)得到廣泛使用。后來LED背光的大量使用，CCFL逐漸退出這個市場。
圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結(jié)構(gòu)，都是溝槽型Trench結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上來看，襯底都是漏極D，但半導(dǎo)體的類型不同：N溝道的漏極是N型半導(dǎo)體，P溝道的漏極是P型半導(dǎo)體。
當(dāng)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(qū)，就會形成一個非常薄的反型層N型，這樣D極的N、反型層N、S極的N，就會形成導(dǎo)通的路徑。
P溝道的工作原理和N溝道類似，從上面導(dǎo)通過程可以看到：功率MOSFET是單極性器，N溝道的功率MOSFET只有電子導(dǎo)電，P溝道的功率MOSFET只有空穴導(dǎo)電。
硅半導(dǎo)體中，由于熱能的存在，電子和空穴，統(tǒng)稱為載流子，在晶格中不停的運(yùn)動，與晶格的其它原子發(fā)生碰撞，使它們的運(yùn)動發(fā)生偏轉(zhuǎn)、減速或加速。電子和空穴二次碰撞間移動的距離稱為平均自由程，通常用二次晶格碰撞的平均時間tc表示。
另外，電子和空穴，在電場的作用下，沿著特征的方向產(chǎn)生運(yùn)動，這種運(yùn)動稱為載流子的漂移。載流子由于電場的作用在晶格中平均移動的速度稱為漂移速度。載流子的漂移速度和電場成正比，比例系數(shù)稱為遷移率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(yuǎn)小于電子，這意味著：同樣的晶元面積，P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻也遠(yuǎn)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(qū)動電壓的正加在G極，驅(qū)動電壓的負(fù)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(qū)動電壓的正加在S極，驅(qū)動電壓的負(fù)加在G極。
這樣的連接方式導(dǎo)致二種溝道的功率MOSFET的驅(qū)動方式不同，P溝道的S極連接的是電源的正極，這個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(dǎo)通，如圖3所示，R1/R2將輸入的電壓分壓，保證穩(wěn)定時加在G、S上的最大電壓不超過其額定值。
N溝道的G極電壓必須大于S極才能導(dǎo)通工作，如果S極連接到地電位，可以直接驅(qū)動，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極的電壓是變動的，如果要驅(qū)動MOSFET正常的工作，必須保證在使用的過程，G極驅(qū)動信號的供電電源的負(fù)端連接在S極上。相對于系統(tǒng)的電源地，G極驅(qū)動信號的供電電源的負(fù)端相當(dāng)于浮在S極上，就是常說的浮驅(qū)、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(qū)動。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(qū)動。
對于一個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(qū)動，驅(qū)動電路設(shè)計(jì)簡單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET，那么必須采用浮驅(qū)或自舉電路，驅(qū)動電路比較復(fù)雜。對于下管，使用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅(qū)動。
功率MOSFET的溝道類型確定后，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(tǒng)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(tǒng)效率的前提下，選取參數(shù)和封裝更通用的功率MOSFET。
有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度，如通信系統(tǒng)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(shè)計(jì)或由于外殼的限制，裝配時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(shè)計(jì)直接將器件管腳折彎平放，這種設(shè)計(jì)生產(chǎn)工序會變復(fù)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(qiáng)，但在生產(chǎn)過程中，需要加絕緣墜，生產(chǎn)工藝復(fù)雜成本高，而全塑封裝熱阻大，散熱能力弱，但生產(chǎn)工藝簡單。
為了減小鎖螺絲的人工工序，近幾年一些電子系統(tǒng)采用夾子將功率MOSFET夾在散熱片中，這樣就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)的TO220上部帶孔的部分去除的新的封裝形式，同時也減小的器件的高度。
在臺式機(jī)主板、板卡等一些對成本極其敏感的應(yīng)用中，通常采用DPAK封裝的功率MOSFET，因?yàn)檫@種封裝的成本低。
因此在選擇功率MOSFET的封裝時，要結(jié)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(shù)情況下，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)輸入電壓是相對固定的，公司選取特定的供應(yīng)商的一些料號，產(chǎn)品額定電壓也是固定的。
數(shù)據(jù)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(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中要結(jié)合這些因素綜合考慮。
很多資料和文獻(xiàn)中經(jīng)常提到：如果系統(tǒng)中功率MOSFET的VDS的最高尖峰電壓如果大于BVDSS，即便這個尖峰脈沖電壓的持續(xù)只有幾個或幾十個ns，功率MOSFET也會進(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(dǎo)體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產(chǎn)線上是全檢的、100%檢測，也就是在數(shù)據(jù)中這是一個可以保證的測量值，雪崩電壓通常發(fā)生在1.2～1.3倍的BVDSS，而且持續(xù)的時間通常都是μs、甚至ms級，那么持續(xù)只有幾個或幾十個ns、遠(yuǎn)低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會對功率MOSFET產(chǎn)生損壞的。
不同電子系統(tǒng)的功率MOSFET選取的驅(qū)動電壓并不相同，AC/DC電源通常使用12V的驅(qū)動電壓，筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅(qū)動電壓，因此要根據(jù)系統(tǒng)的驅(qū)動電壓選取不同閾值電壓VTH的功率MOSFET。
數(shù)據(jù)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(fù)溫度系數(shù)。不同的驅(qū)動電壓VGS對應(yīng)著不同的導(dǎo)通電阻，在實(shí)際的應(yīng)用中要考慮溫度的變化，既要保證功率MOSFET完全開通，同時又要保證在關(guān)斷的過程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會發(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(xiàng)目中或物料庫中現(xiàn)有的元件，對于RDSON的真正的選取方法并沒有太多的考慮。當(dāng)選用的功率MOSFET的溫升太低，出于成本的考慮，會改用RDSON大一些的元件；當(dāng)功率MOSFET的溫升太高、系統(tǒng)的效率偏低，就會改用RDSON小一些的元件，或通過優(yōu)化外部的驅(qū)動電路，改進(jìn)散熱的方式等來進(jìn)行調(diào)整。
如果是一個全新的項(xiàng)目，沒有以前的項(xiàng)目可循，那么如何選取功率MOSFET的RDSON？這里介紹一個方法給大家：功耗分配法。
當(dāng)設(shè)計(jì)一個電源系統(tǒng)的時候，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(qū)動電壓，當(dāng)然還有其他的技術(shù)指標(biāo)和功率MOSFET相關(guān)的主要是這些參數(shù)。步驟如下：
（1）根據(jù)輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率，計(jì)算系統(tǒng)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(qū)動損耗，做大致的估算，經(jīng)驗(yàn)值可以占總損耗的10%～15%。如果功率回路有電流取樣電阻，計(jì)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，按元件數(shù)目平均分配，這樣就得到每個MOSFET的功率損耗。
（3）將MOSFET的功率損耗，按一定的比例分配給開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，不確定的話，平均分配開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。
（4）由MOSFET導(dǎo)通損耗和流過的有效值電流，計(jì)算最大允許的導(dǎo)通電阻，這個電阻是MOSFET在最高工作結(jié)溫的RDSON。
數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的RDSON標(biāo)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(shù)，因此根據(jù)MOSFET最高的工作結(jié)溫和RDSON溫度系數(shù)，由上述RDSON計(jì)算值，得到25℃溫度下對應(yīng)的RDSON。
（5）由25℃的RDSON來選取型號合適的功率MOSFET，根據(jù)MOSFET的RDSON實(shí)際參數(shù)，向下或向上修整。
功率MOSFET在開關(guān)過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗，開關(guān)損耗主要和這些開關(guān)特性參數(shù)有關(guān)。QG影響驅(qū)動損耗，這一部分損耗并不消耗在功率MOSFET中，而且是消耗在驅(qū)動IC中。QG越大，驅(qū)動損耗越大。
基于RDSON選取了功率MOSFET的型號后，這些開關(guān)特性參數(shù)都可以在數(shù)據(jù)表中查到，然后根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算開關(guān)損耗。
根據(jù)選取的功率MOSFET的數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，計(jì)算其導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，由總的功率損耗和工作的環(huán)境溫度計(jì)算MOSFET的最高結(jié)溫，校核其是否在設(shè)計(jì)的范圍。所有條件基于最惡劣的條件，然后由計(jì)算的結(jié)果做相應(yīng)的調(diào)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，上述過程通常要配合第5、6步，經(jīng)過幾次的反復(fù)校驗(yàn)，最后確定與設(shè)計(jì)相匹配的型號，直到滿足設(shè)計(jì)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(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)的問題，最簡單的方法就是采用內(nèi)部帶快恢復(fù)二極管的功率MOSFET，如果內(nèi)部不帶快恢復(fù)二極管，就要考慮內(nèi)部寄生二極管的反向恢復(fù)特性：Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2，如trr要小于250ns，這些參數(shù)影響著關(guān)斷的電壓尖峰、效率，以及可靠性，如在LLC的起動、短路中，系統(tǒng)進(jìn)入容性模式、若二極管反向恢復(fù)性能較差，容易產(chǎn)生上下管直通而損壞的問題。如果控制器具有容性模式保護(hù)功能，就不用考慮這個因素。
雪崩能量及測試的條件參考下面的文章，有非常詳細(xì)的詳明。除了反激和一些電機(jī)驅(qū)動的應(yīng)用，大多結(jié)構(gòu)不會發(fā)生這種單純的電壓箝位的雪崩，很多應(yīng)用情況下，二極管反向恢復(fù)過程中dv/dt、過溫以及大電流的綜合作用產(chǎn)生動態(tài)雪崩擊穿損壞，相關(guān)的內(nèi)容可參考文章。
內(nèi)部RG的大小、負(fù)載開關(guān)和熱插撥工作在線性區(qū)的問題、SOA特性，和EMI相關(guān)的參數(shù)、等等。
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