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为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中当一个MOSFET接地而负载连接到干线电压上时该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中应采用N沟道MOSFET这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET这也是出于对电压驱动的考虑。
要选择适合应用的器件必须确定驱动器件所需的电压以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大器件的成本就越高。根据实践经验额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同通常便携式设备为20V、FPGA电源为2030V、85220VAC应用为450600V。 二确定额定电流
第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下MOSFET处于稳态此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。
选好额定电流后还必须计算导通损耗。在实际情况下MOSFET并不是理想的器件因为在导电过程中会有电能损耗这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻由器件的RDS(ON)所确定并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算由于导通电阻随温度变化因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高RDS(ON)就会越小反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说采用较低的电压比较容易(较为普遍)而对于工业设计可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。
技术对器件的特性有着重大影响因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术如果打算降低VDS和RDS(ON)那么就得增加晶片尺寸从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。
在沟道技术中晶片中嵌入了一个深沟通常是为低电压预留的用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如飞兆半导体开发了称为SuperFET的技术针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。
这种对RDS(ON)的关注十分重要因为当标准MOSFET的击穿电压升高时RDS(ON)会随之呈指数级增加并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样SuperFET器件便可在小晶片尺寸甚至在击穿电压达到600V的情况下实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说这意味着封装尺寸的大幅减小。 三确定热要求
选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果因为这个结果提供更大的安全余量能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻以及最大的结温。
器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温最大环境温度[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是在处理简单热模型时设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量即要求印刷电路板和封装不会立即升温。
雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率使器件的温度升高而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试计算其雪崩电压或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法一是统计法另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其器件测试的详情如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines” Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild网站去下载。除计算外技术对雪崩效应也有很大影响。例如晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力最终提高器件的稳健性。对最终用户而言这意味着要在系统中采用更大的封装件。 四决定开关性能
选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达Psw(EonEoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。
基于开关性能的重要性新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生旨在减少栅极电荷。举例说SuperFET这种新技术就可通过降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg)最大限度地减少传导损耗和提高开关性能。这样MOSFET就能应对开关过程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt)甚至可在更高的开关频率下可靠地工作。
