关于MOS管功率选型分析

关于MOS管功率选型分析

MOS管有两大类型：N 沟道和 P 沟道。在功率系统中，MOS管可被看成电气开关。当在 N 沟道MOS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MOS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？

MOS设计选型的几个基本原则

1 电压应力

在电源电路应用中，往往首先考虑漏源电压 VDS 的选择。在此上的基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大峰值漏源极间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的 90% 。即：

VDS_peak≤ 90% * V（BR）DSS

注：一般地， V（BR）DSS 具有正温度系数。故应取设备最低工作温度条件下之 V（BR）DSS 值作为参考。

2 漏极电流

其次考虑漏极电流的选择。基本原则为 MOSFET 实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏源电流的 90% ；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的 90% 即：

ID_max≤ 90% * ID

ID_pulse≤ 90% * IDP

注：一般地， ID_max及 ID_pulse 具有负温度系数，故应取器件在最大结温条件下之 ID_max 及 ID_pulse 值作为参考。器件此参数的选择是极为不确定的—主要是受工作环境，散热技术，器件其它参数（如导通电阻，热阻等）等相互制约影响所致。最终的判定依据是结点温度（即如下第六条之“耗散功率约束”）。根据经验，在实际应用中规格书目中之 ID 会比实际最大工作电流大数倍，这是因为散耗功率及温升之限制约束。在初选计算时期还须根据下面第六条的散耗功率约束不断调整此参数。建议初选于 3~5 倍左右 ID = （3~5）*ID_max 。

3 驱动要求

MOSFEF 的驱动要求由其栅极总充电电量（ Qg ）参数决定。在满足其它参数要求的情况下，尽量选择 Qg 小者以便驱动电路的设计。驱动电压选择在保证远离最大栅源电压（ VGSS ）前提下使 Ron 尽量小的电压值（一般使用器件规格书中的建议值）

4 损耗及散热

小的 Ron 值有利于减小导通期间损耗，小的 Rth 值可减小温度差（同样耗散功率条件下），故有利于散热。

5 损耗功率初算

MOSFET 损耗计算主要包含如下 8 个部分：

PD= Pon+ Poff+ Poff_on+ Pon_off+ Pds+ Pgs+Pd_f+Pd_recover

详细计算公式应根据具体电路及工作条件而定。例如在同步整流的应用场合，还要考虑体内二极管正向导通期间的损耗和转向截止时的反向恢复损耗。损耗计算可参考下文的“MOS管损耗的8个组成部分”部分。

6 耗散功率约束

器件稳态损耗功率 PD，max应以器件最大工作结温度限制作为考量依据。如能够预先知道器件工作环境温度，则可以按如下方法估算出最大的耗散功率：

PD，max≤ （ Tj，max- Tamb） / Rθj-a

其中 Rθj-a 是器件结点到其工作环境之间的总热阻 ， 包括 Rθjuntion-case，Rθcase-sink，Rθsink-ambiance等。如其间还有绝缘材料还须将其热阻考虑进去。

正确选择MOS管是很重要的一个环节，MOS管选择不好有可能影响到整个电路的效率和成本，了解不同的MOS管部件的细微差别及不同开关电路中的应力能够帮助工程师避免诸多问题，下面我们来学习下MOS管的正确的选择方法。

第一步：选用N沟道还是P沟道

低压侧开关选N-MOS，高压侧开关选P-MOS

根据电路要求选择确定VDS，VDS要大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOS管不会失效。

第二步：确定额定电流

额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOS管能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。

MOS管并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。

MOS管在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS（ON）所确定，并随温度而显著变化。

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MOS管施加的电压VGS越高，RDS（ON）就会越小；反之RDS（ON）就会越高。

第三步：确定热要求

器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积（结温=最大环境温度+［热阻×功率耗散］）。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS（ON）。

第四步：决定开关性能

选择MOS管的最后一步是决定MOS管的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOS管的开关速度因此被降低，器件效率也下降。