电源设计注意事项：如何选择 MOSFET

MOSFET 是主要用于开关应用的半导体元件，具有高电压和高电流的特点。它们在高速下的更高效率和更高开关容量使它们成为电源设计的最佳选择。让我们看看一些标准，以帮助为电力电子项目选择正确的 MOSFET（或 MOSFET）。

作为逻辑开关的行为参数

无论给定项目工作的逻辑（和模拟）级别如何，都有不同的阈值来确定设备的明确饱和或禁止。换句话说，这些值定义了高逻辑电平或低逻辑电平的精确操作。通常，在高低层之间，需要一个过渡区来保证两个层之间的过渡不会太突然。该区域被定义为“非法”或“不确定”区域，如图 1 所示。

图 1：通用 MOSFET 的逻辑电平

观察最小和最大栅源阈值电压很重要，如下所示：

V GS(th) (min) 是低于 MOSFET 关断的栅极电压值。

V GS(th) (max) 是 MOSFET 开启时的栅极电压值。

通常，最小栅极电压（对于 5V 正逻辑）介于 0.5V 和 1V 之间。高于最大阈值的电压会导通 MOSFET。上最小值点和下最大值点之间的电压可以打开或关闭 MOSFET。他们必须避免，因为它们代表了不确定性的领域和MOSFET的行为是无法预测的先验. 因此，在设计新系统的逻辑之前，有必要研究每个器件的门的行为。在图 2 中，您可以看到一个经典的电气图，它提供了一个由 96 V 电压供电的 8Ω 负载。在这种情况下，MOSFET 作为电子开关工作，可以通过驱动“栅极”来激活合适的电源。对于 UnitedSiC UF3C065080T3S 型号，适用于“门”的电压范围介于 –25 V 和 25 V 之间。

图 2：电子开关的总图

现在让我们看看 MOSFET 的导通行为如何，观察流经负载 R1 的电流，具体取决于栅极电压。相关曲线如图 3 所示。对于 –25 V 和 5.8 V 之间的所有“栅极”电压，该组件保持关闭状态（开关打开）。从 6.4 V 到 25 V，MOSFET 的行为就像一个闭合的开关。

图 3：通过改变 MOSFET 的“栅极”电压，MOSFET 的工作方式也随之改变。

MOSFET 的栅极电压介于 5.8 V 和 6.4 V 之间（等效偏移为 600 mV），实际上可以在线性区域内工作。必须避免此间隔，因为该组件会散发大量热功率，如图 4 中的 SiC 功率图所示。 M1（红色曲线）的平均功率实际上耗散如下：

禁止期间：0 W

饱和期间：12.5 W

在不确定时期和线性状态下：133.75 W，峰值为 288 W

电路的效率也很大程度上取决于这方面。

图 4：必须避免在 MOSFET 的“栅极”上施加不确定电压；否则，它的耗散会非常高。

R DS(ON)参数

R DS(ON) 的意思是“漏源间导通电阻”。MOSFET 通常用作功率晶体管的更好替代品，并用于大电流开关应用。如果该参数较低，则意味着根据欧姆定律，MOSFET 损失的能量较少，从而导致更高的能效并产生更少的热量。因此，设计人员应选择具有尽可能低的 R DS(ON)值的组件模型。在我们的示例中，当 MOSFET 导通时，R DS(ON)可以使用以下公式轻松计算：

R DS(ON) = V(漏极) / I(漏极)

从中：

[R DS（ON） = 1.00574 / 11.87428

根据组件数据表的官方规范，它返回等于 0.084 Ω (84 mΩ) 的值。

输入 (C iss ) 和输出 (C oss ) 电容参数

“栅极”、氧化层以及 MOSFET 主体上的相关连接实际上就像一个小电容器一样工作。一旦“门”承受电压，这个虚拟电容器就开始充电。充电需要时间，因此开启状态会有延迟。设计人员应选择输入电容尽可能低的 MOSFET 以避免长时间延迟。如果使用直接连接到 MCU 输出引脚的 MOSFET，“栅极”应通过外部电阻器连接，以防止出现不需要的结果。关于所用的SiC模型，其电容参数如下：

输入电容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 1,500 pF

输出电容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 104 pF

开关速度相关参数

MOSFET 特别适用于快速开关应用。频率越高，变压器必须越小，但传输的噪声会增加。在任何情况下，将组件与开关速度联系起来的一些基本参数如下：

开启延迟时间 (tdon)：25 ns

上升时间 (tr)：14 ns

关断延迟时间 (tdoff)：54 ns

下降时间 (tf)：11 ns

图 5 中的图表显示了在两个频率下切换 MOSFET 的两种不同行为。上图参考了 1 MHz 的开关频率，分别显示了负载上的电流信号、栅极上的电压和 PWM 发生器的电压。如您所见，该组件在该频率下的行为非常好。相反，下图指的是频率为 10 MHz 的方波信号。请注意，所有信号都高度失真，实际上 MOSFET 始终处于导通状态。

图 5：MOSFET 在不同速度下的不同开关行为

结论

检查的参数只是那些必须选择 MOSFET（或 MOSFETS）的人的一些参数。设计人员可以研究组件的其他相关特性，例如散热和其他参数。使用 MOSFET 是一种非常有趣的体验，它可以显着提高电路的效率并扩展其操作的可能性。要观察的其他操作参数包括反向恢复、ESD 保护、开关损耗、支持的最大电压和电流等。此信息可在组件的官方数据表中找到。


审核编辑：刘清