如何為電源設(shè)計(jì)選擇合適的MOSFET

MOSFET是半導(dǎo)體組件，主要用于開關(guān)應(yīng)用，并且具有高電壓和高電流的特點(diǎn)。它們具有更高的效率和更高的高速開關(guān)容量，使其成為電源設(shè)計(jì)中的最佳選擇。讓我們看一些標(biāo)準(zhǔn)，以幫助為電力電子項(xiàng)目選擇合適的MOSFET 。

邏輯開關(guān)行為的參數(shù)

不管給定項(xiàng)目使用的邏輯（和模擬）級(jí)別如何，都有不同的閾值確定設(shè)備的明顯飽和或間斷。換句話說，這些值定義了高邏輯電平或低邏輯電平的精確操作。通常，在高低層之間需要一個(gè)過渡區(qū)域，以確保兩個(gè)層之間的過渡不會(huì)太突然。該區(qū)域定義為“非法”或“不確定”區(qū)域，如圖1所示。

圖1：通用MOSFET的邏輯電平

觀察最小和最大柵極-源極閾值電壓很重要，如下所示：

VGS（th）（最小值）是柵極電壓的值，低于該值MOSFET就會(huì)關(guān)斷。

VGS（th）（max）是柵極電壓值，高于該電壓MOSFET將導(dǎo)通。

通常，最小柵極電壓（對(duì)于5V正邏輯）在0.5V至1V之間。那些高于最大閾值的柵極電壓會(huì)導(dǎo)通MOSFET。最低點(diǎn)和最高點(diǎn)之間的電壓可能會(huì)導(dǎo)通或關(guān)斷MOSFET。必須避免使用它們，因?yàn)樗鼈儽硎静淮_定性區(qū)域，并且無法事先預(yù)測(cè)MOSFET的性能。因此，有必要在設(shè)計(jì)新系統(tǒng)的邏輯之前研究每個(gè)器件的門的行為。在圖2中，您可以看到一個(gè)經(jīng)典的電路圖，該圖提供了一個(gè)用96 V電壓供電的8Ω負(fù)載。在這種情況下，MOSFET可以用作電子開關(guān)，并且可以通過驅(qū)動(dòng)“門”來激活。一個(gè)合適的電源。對(duì)于UnitedSiC UF3C065080T3S型號(hào)，適用于“柵極”的電壓范圍為–25 V至25V。

圖2：電子開關(guān)的總圖

現(xiàn)在，根據(jù)柵極電壓，觀察負(fù)載R1上流過的電流，看看MOSFET的導(dǎo)電性能如何。相對(duì)圖如圖3所示。對(duì)于–25 V至5.8 V之間的所有“柵極”電壓，該組件均保持關(guān)斷狀態(tài)（開關(guān)斷開）。從6.4 V至25 V，MOSFET的行為就像一個(gè)閉合開關(guān)。

圖3：通過改變MOSFET的“柵極”電壓，可以改變MOSFET的工作方式。

柵極電壓在5.8 V至6.4 V之間（等效偏移為600 mV），該MOSFET實(shí)際上在線性區(qū)域內(nèi)工作。如圖4的SiC功率圖所示，必須避免這個(gè)時(shí)間間隔，因?yàn)樵摻M件會(huì)散發(fā)大量的熱功率。實(shí)際上，M1的平均功率（紅色曲線）的耗散如下：

• 停電期間：0 W
• 在飽和期間：12.5 W
• 在不確定時(shí)期和線性范圍內(nèi)：133.75 W，峰值為288 W

電路的效率也很大程度上取決于這一方面。

圖4：必須避免在MOSFET的“柵極”上施加不確定的電壓。否則，其耗散將非常高。

R DS（ON）參數(shù)

R DS（ON）的意思是“漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻”。MOSFET通常用作功率晶體管的更好替代品，并用于大電流開關(guān)應(yīng)用。如果此參數(shù)較低，則根據(jù)歐姆定律，意味著MOSFET損失的能量更少，并導(dǎo)致更高的能量效率和更少的熱量產(chǎn)生。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇具有盡可能低的R DS（ON）值的組件模型。在我們的示例中，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，可以使用以下公式輕松計(jì)算R DS（ON）：

R DS（開） = V（漏極） / I（漏極）

從中：

R DS（開） = 1.00574 / 11.87428

根據(jù)組件數(shù)據(jù)手冊(cè)的官方規(guī)格，其返回值等于0.084Ω（84mΩ）。

輸入（C iss）和輸出（C oss）電容參數(shù)

MOSFET本體上的“柵極”，氧化層和相對(duì)連接實(shí)際上就像一個(gè)小電容器一樣起作用。一旦“門”受到電壓，此虛擬電容器就會(huì)開始充電。充電需要時(shí)間，因此打開狀態(tài)會(huì)有延遲。設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇盡可能低的輸入電容的MOSFET，以避免長(zhǎng)時(shí)間的延遲。如果使用直接連接到MCU輸出引腳的MOSFET，則應(yīng)通過外部電阻器連接“門”，以防止產(chǎn)生不良結(jié)果。關(guān)于所使用的SiC模型，其電容參數(shù)如下：

• 輸入電容（Ciss）：在VDS = 100 V，VGS= 0 V，F(xiàn) = 100 kHz時(shí)– 1,500 pF

• 輸出電容（Ciss）：在VDS = 100 V時(shí)，VGS= 0 V，F(xiàn) = 100 kHz — 104 pF

與切換速度有關(guān)的參數(shù)

MOSFET特別適合于快速開關(guān)應(yīng)用。頻率越高，變壓器必須越小，但是傳輸?shù)脑肼晻?huì)增加。無論如何，將組件鏈接到開關(guān)速度的一些基本參數(shù)如下：

• 開啟延遲時(shí)間（tdon）：25 ns
• 上升時(shí)間（tr）：14 ns
• 關(guān)斷延遲時(shí)間（tdoff）：54 ns
• 下降時(shí)間（tf）：11 ns

圖5中的曲線圖顯示了在兩個(gè)頻率下切換MOSFET的兩種不同行為。上圖以1 MHz的開關(guān)頻率為參考，分別顯示了負(fù)載上的電流信號(hào)，柵極上的電壓和PWM發(fā)生器的電壓。如您所見，該組件在此頻率下的行為非常好。下圖改為表示頻率為10 MHz的方波信號(hào)。請(qǐng)注意，所有信號(hào)都高度失真，實(shí)際上，MOSFET始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖5：MOSFET在不同速度下的不同開關(guān)行為

結(jié)論

對(duì)于那些必須選擇MOSFET（或MOSFETS）的人來說，所檢查的參數(shù)只是其中的幾個(gè)。設(shè)計(jì)人員可以研究與組件有關(guān)的其他特性，例如散熱和其他參數(shù)。與MOSFET一起工作是非常有趣的經(jīng)歷，它可以極大地提高電路效率并擴(kuò)大其工作可能性。要觀察的其他工作參數(shù)是反向恢復(fù)，ESD保護(hù)，開關(guān)損耗，支持的最大電壓和電流以及許多其他參數(shù)。

編輯：hfy