【導讀】由于MOSFET是電氣系統(tǒng)中最基本的部件之一，選擇正確的MOSFET對整個設(shè)計是否成功起著關(guān)鍵的作用。只有了解MOSFET的類型及了解決定它們的重要性能特點，設(shè)計人員才能針對特定設(shè)計選擇正確的MOSFET。
隨著制造技術(shù)的發(fā)展和進步，系統(tǒng)設(shè)計人員必須跟上技術(shù)的發(fā)展步伐，才能為其設(shè)計挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣系統(tǒng)中的基本部件，工程師需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標才能做出正確選擇。本文將討論如何根據(jù)RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關(guān)性能指標來選擇正確的MOSFET。
MOSFET有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時，其開關(guān)導通。導通時，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻，稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設(shè)計意圖工作，并可能在不恰當?shù)臅r刻導通或關(guān)閉，導致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即IDSS。
第一步：選用N溝道還是P溝道
為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。
要選擇適合應用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設(shè)計中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設(shè)計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍，確保電路不會失效。設(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。
第二步：確定額定電流
第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設(shè)計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導通模式下，MOSFET處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。
選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越小；反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)計，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。
技術(shù)對器件的特性有著重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。
在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發(fā)了稱為SuperFET的技術(shù)，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS(ON)的關(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數(shù)級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。
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第三步：確定熱要求
選擇MOSFET的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)不會失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結(jié)溫。
器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設(shè)計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設(shè)計人員還必須考慮半導體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。
雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會對器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。
不少公司都有提供其器件測試的詳情，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載）。除計算外，技術(shù)對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。
第四步：決定開關(guān)性能
選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因為在每次開關(guān)時都要對它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關(guān)過程中器件的總損耗，設(shè)計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guān)性能的影響最大。
基于開關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個開關(guān)問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應運而生，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術(shù)就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導損耗和提高開關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應對開關(guān)過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關(guān)頻率下可靠地工作。
