電源開關設計應用指南:如何選擇MOSFET?

作者 : Giovanni Di Maria,Power Electronics News

使用MOSFET是一個非常有趣的經驗,它可以極大地提高電路效率並擴充其操作可能性,本文將討論一些篩選標準,以便為電力電子解決方案選擇合適的MOSFET。

金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)主要用於開關應用中,具有高電壓和高電流的特點。它們具有更高的效率和更優良的高速開關能力,因此成為電源設計中的最佳選擇,本文將討論一些篩選標準,以便為電力電子解決方案選擇合適的MOSFET。 邏輯開關的行為參數 不管給定專案使用什麼邏輯(和類比)電平,都會有不同的閾值來清楚地判定設備的飽和或關斷。換句話說,這些值精確地定義了邏輯電平在高或低時的操作。通常,在高低電平之間需要一個過渡區域,以確保兩電平之間的過渡不會太突然。如圖1所示,該區域被定義為「非法」或「不確定」區域。  

圖1:通用MOSFET的邏輯電平。

  觀察最小和最大閘極-源極閾值電壓很重要,如下所列:
  • VGSth(min)是MOSFET關斷的閘極電壓值;
  • VGSth(max)是MOSFET導通的閘極電壓值。
通常,最小閘極電壓(對於5V正邏輯)在0.5V~1V之間。那些高於最大閾值的閘極電壓會導通MOSFET,在最小閘極電壓的最高點和最大閘極電壓的最低點之間的電壓可能讓MOSFET或導通或關斷。因此必須避免達到這些電壓值,它們表示著MOSFET處在不確定區域,並且無法預測MOSFET的性能。因此,有必要在設計新系統的邏輯之前研究每個元件的閘極工作狀況。在圖2中,可以看到一個經典的電路圖,該圖提供了一個用96V電壓供電的8Ω負載。在這種情況下,MOSFET用作電子開關,並且可以透過合適的電源驅動「閘極」來啟動。對於UnitedSiC UF3C065080T3S,能夠提供給 「閘極」的電壓範圍為-25V~25V。  

圖2:電子開關的通用框架圖。

  現在,觀察負載R1上流過的電流,並根據閘極電壓,看看MOSFET的導通如何工作。如圖3所示的相對圖形中,「閘極」電壓在-25V~5.8V之間時,該元件保持關斷狀態(開關斷開);在6.4V~25V,MOSFET表現為一個閉合開關。  

圖3:透過改變MOSFET的「閘極」電壓, MOSFET的工作區域相應發生改變。

  閘極電壓在5.8V~6.4V之間 (等效偏移為600mV),該MOSFET實際上在線性區域內工作。如圖4的功率圖所示,這個線性區域必須要避免,因為元件在該區間內工作會產生大量的熱能。實際上,M1元件的平均功率(紅色曲線)的耗散如下:
  • 關斷期間:0W
  • 飽和期間:12.5W
  • 在不確定期間和線性區內:133.75W,峰值為288W
 

圖4:必須避免在MOSFET「閘極」上施加不確定的電壓,否則其耗散將非常高。

  電路的效率很大程度上也取決於這一方面。 RDS(ON)參數 RDS(ON)表示「導通狀態下汲極(drain)和源極(source)之間的電阻」。MOSFET通常是作為功率電晶體的一個更好替代選擇,用於大電流開關應用,如果RDS(ON)較低,則根據歐姆定律,意味著MOSFET損失的能量更少,從而提高了能源效率,並產生更少的熱量。因此,設計人員應選擇具有盡可能低的RDS(ON)值的元件模型。在本文的示例中,當MOSFET導通時,可以使用以下公式簡單計算RDS(ON): RDS(ON) = V(Drain)/I(Drain) 從而得到: RDS(ON) = 1.00574/11.87428 根據元件的官方資料手冊得出其返回值等於0.084Ω(84mΩ)。 輸入電容(Ciss)和輸出電容(Coss)參數 MOSFET主體上的「閘極」、氧化層及其相關連接,實際上就像一個小電容。一旦「閘極」接上電壓,此虛擬電容就會開始充電,充電需要時間,因此接通會有延遲。設計人員應選擇擁有盡可能低的輸入電容MOSFET,以避免長時間的延遲。如果把MOSFET直接連接到微控制器(MCU)的輸出引腳,則其「閘極」應透過一個外部電阻連接,以防止產生不良結果。對於所使用的SiC模型,其電容參數如下: 輸入電容(Ciss):當VDS = 100V,VGS = 0V,F=100kHz時——1,500pF 輸出電容(Coss):當VDS = 100V,VGS = 0V,F=100kHz時——104pF 與開關速度相關的參數 MOSFET特別適用於快速開關應用。頻率越高,變壓器必須越小,但是傳輸的雜訊會增加,在任意情況下,影響元件開關速度的一些基本參數如下:
  • 接通延遲時間(tdon):25ns
  • 上升時間(tr):14ns
  • 關斷延遲時間(tdoff):54ns
  • 下降時間(tf):11ns
圖5中的曲線圖顯示了在兩種頻率下,開關MOSFET的兩種不同特性。圖5上方以1MHz的開關頻率為參考,分別顯示了負載上的電流訊號,閘極上的電壓和脈衝寬度調變(PWM)產生器的電壓,如圖所示,該元件在此頻率下的表現非常好。圖5下方改為頻率為10MHz的方波訊號,值得注意的是所有訊號都高度失真,而實際上,MOSFET始終處於導通狀態。  

圖5:MOSFET在不同開關速度下的不同特性。

  結論 對於那些必須選擇一個MOSFET (或多個MOSFET)的設計人員來說,本文所涉及的參數只是一小部分。設計人員可以研究元件的其他相關特性,例如影響散熱的參數和其他參數。使用MOSFET是一個非常有趣的經驗,它可以極大地提高電路效率並擴充其操作可能性。其他值得關注的指令參數有:反向恢復、靜電放電(ESD)保護、開關損耗、能夠支援的最大電壓和電流值,以及許多其他參數,這些資訊都可在元件的官方資料表中找到。 (參考原文:Power Supply Design Notes: How to Select MOSFETS,by Giovanni Di Maria) 本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年5月號          

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