提升電力電子效率：功率MOSFET的應(yīng)用與選擇指南

現(xiàn)代電子應(yīng)用需要高開關(guān)頻率以實現(xiàn)相應(yīng)的高效率。功率MOSFET是電力密集型應(yīng)用中的重要組成部分。它們具有相對較低的門電荷，使其非常適合中高功率的應(yīng)用場景。這種較低的門電荷減少了驅(qū)動電流的要求，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高頻率和更高的效率。

本文探討了中功率MOSFET在各種應(yīng)用中的優(yōu)勢、局限性及選擇時的考慮因素。

功率MOSFET在電子應(yīng)用中的角色

功率MOSFET通常根據(jù)其擊穿電壓進行分類。與高功率和超高功率MOSFET(其擊穿電壓范圍分別為400 - 650 V和>700 V)不同，中功率MOSFET的擊穿電壓范圍為30 V到350 V，并提供低至2.6 mΩ(30 V)的門電荷和導(dǎo)通電阻。因此，許多設(shè)計師在其電力系統(tǒng)設(shè)計中采用中功率MOSFET。

具有較低擊穿電壓范圍的功率MOSFET支持更高的開關(guān)速度。例如，ROHM的第六代功率MOSFET系列。它們通常以n溝道和p溝道版本提供，開關(guān)頻率可高達100 kHz。將功率MOSFET集成到PCB中對于在較低電壓下實現(xiàn)高開關(guān)速度和高效率至關(guān)重要，與其他半導(dǎo)體器件(如晶閘管和IGBT)相比，能顯著減少能量損耗和反向恢復(fù)時間。

功率MOSFET的優(yōu)點和局限性

功率MOSFET為廣泛的應(yīng)用提供了多個優(yōu)點。這些優(yōu)點包括：

· 低成本

· 體積小，易于與電力電子集成

· 增強的開關(guān)速度

· 在高開關(guān)頻率下運行(減少能量損耗)

· 簡單的門驅(qū)動電路

· 由于功率的非負系數(shù)而熱穩(wěn)定

· 低導(dǎo)通電阻(有助于限制功率損耗)

· 不需要額外電路進行換流

然而，功率MOSFET的限制在于其阻斷能力是非對稱的。這使它們能夠抵御正向電壓沖擊，但也使其易受反向電壓影響。因此，它們需要額外的二極管來保護反向電壓沖擊。

工業(yè)應(yīng)用中的功率MOSFET

功率MOSFET通常用于電壓要求在350 V閾值范圍內(nèi)的應(yīng)用。其低導(dǎo)通電阻特性對大多數(shù)應(yīng)用特別有吸引力。它們減少了功率損耗，確保降低成本、體積和所需的冷卻，從而全面提升電子電力系統(tǒng)的性能。一些利用功率MOSFET的工業(yè)應(yīng)用包括負載開關(guān)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電源和低壓電機控制。

選擇功率MOSFET時需考慮的因素

以下是選擇用于高功率應(yīng)用的功率MOSFET時需要考慮的重要因素：

· 通道類型

· 最大漏源電壓

· 漏源電阻

· 封裝/外殼

· 門電壓閾值

· 最大直流漏電流

· 門電荷

通道類型

指的是構(gòu)成器件的硅的性質(zhì)。n溝道功率MOSFET在門對源施加正電壓時開啟，而p溝道功率MOSFET在門源電壓為負時開啟。了解器件在系統(tǒng)中的位置可以幫助設(shè)計師決定哪種類型更為合適。

最大漏源電壓

該額定值是在考慮器件在關(guān)閉時能阻擋施加電壓的能力后分配的。大多數(shù)設(shè)計師遵循的一般指導(dǎo)原則是選擇其電壓額定值是預(yù)期施加在漏極上的電壓的兩倍。這是因為在MOSFET集成的電氣系統(tǒng)中，輸入電壓上常見短暫的電壓尖峰。

漏源電阻

這一關(guān)鍵參數(shù)影響半導(dǎo)體設(shè)備在導(dǎo)電時產(chǎn)生的熱量。設(shè)計師需要在選擇適合其應(yīng)用的理想功率MOSFET之前，考慮在特定源擊穿電壓(VGS)和工作溫度下的相應(yīng)RDS(on)值。

封裝/外殼

MOSFET的封裝/外殼必須根據(jù)設(shè)計的熱和機械要求進行選擇。此外，板空間和物理布局使設(shè)計師偏好某些器件，因為這會影響它們在高電流或功率耗散設(shè)計中的熱性能。

柵極電壓閾值

該閾值決定功率MOSFET解決方案開始導(dǎo)電的電壓。因此，較低的門電壓閾值使MOSFET更快地開啟以完全導(dǎo)電。通過考慮控制系統(tǒng)MCU和門驅(qū)動器的輸出電壓，設(shè)計師可以選擇最適合其應(yīng)用的功率MOSFET。

最大直流漏電流

這是器件在特定工作溫度下能夠承受的最大電流。通過參考數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū)曲線，系統(tǒng)設(shè)計師可以確定其功率MOSFET應(yīng)用所需的電流。

柵極電荷

將器件完全開啟所需的電荷量稱為門電荷(Qg)。低功率MOSFET的Qg值較低，這導(dǎo)致其在開關(guān)操作中具有更高的效率。