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diodes代理教你场效应管的基础选型

场效应管有两大类型:N沟道和P沟道。在功率系统中,场效应管可被看成电气开关。当在N沟道场效应管的栅极和源极间加上正电压时,其开关导通。导通时,电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极之间存在一个内阻,称为导通电阻RDS(ON)。必须清楚场效应管的栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空,器件将不能按设计意图工作,并可能在不恰当的时刻导通或关闭,导致系统产生潜在的功率损耗。当源极和栅极间的电压为零时,开关关闭,而电流停止通过器件。虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。
 
作为电气系统中的基本部件,工程师如何根据参数做出正确选择呢?本文将讨论如何通过四步来选择正确的场效应管。
 
1)沟道的选择。为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道场效应管。在典型的功率应用中,当一个场效应管接地,而负载连接到干线电压上时,该场效应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道场效应管,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应管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沟道场效应管,这也是出于对电压驱动的考虑。
 
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2)电压和电流的选择。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,使场效应管不会失效。就选择场效应管而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。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20~30V、85~220VAC应用为450~600V。
 
在连续导通模式下,场效应管处于稳态,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。
 
3)计算导通损耗。场效应管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。
 
需要提醒设计人员,一般来说MOS管规格书标注的Id电流是MOS管芯片的最大常态电流,实际使用时的最大常态电流还要受封装的最大电流限制。因此客户设计产品时的最大使用电流设定要考虑封装的最大电流限制。建议客户设计产品时的最大使用电流设定更重要的是要考虑MOS管的内阻参数。
 
4)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。在场效应管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。
 
开关损耗其实也是一个很重要的指标。从下图可以看到,导通瞬间的电压电流乘积相当大。一定程度上决定了器件的开关性能。不过,如果系统对开关性能要求比较高,可以选择栅极电荷QG比较小的功率MOSFET。

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