功率MOSFET選型原則-功率MOSFET選型方法與步驟-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-11-16
功率MOSFET恐怕是工程師們最常用的器件之一了，但你知道嗎？關于MOSFET的器件選型要考慮方方面面的因素，小到選N型還是P型、封裝類型，大到MOSFET的耐壓、導通電阻等，不同的應用需求千變萬化，下面這篇文章總結了MOSFET器件選型法則
功率MOSFET有兩種類型：N溝道和P溝道，在系統設計的過程中選擇N管還是P管，要針對實際的應用具體來選擇，N溝道MOSFET選擇的型號多，成本低；P溝道MOSFET選擇的型號較少，成本高。如果功率MOSFET的S極連接端的電壓不是系統的參考地，N溝道就需要浮地供電電源驅動、變壓器驅動或自舉驅動，驅動電路復雜；P溝道可以直接驅動，驅動簡單。
需要考慮N溝道和P溝道的應用主要有：
（1）筆記本電腦、臺式機和服務器等使用的給CPU和系統散熱的風扇，打印機進紙系統電機驅動，吸塵器、空氣凈化器、電風扇等白家電的電機控制電路，這些系統使用全橋電路結構，每個橋臂上管可以使用P管，也可以使用N管。
（2）通信系統48V輸入系統的熱插撥MOSFET放在高端，可以使用P管，也可以使用N管。
（3）筆記本電腦輸入回路串聯的、起防反接和負載開關作用的二個背靠背的功率MOSFET，使用N溝道需要控制芯片內部集成驅動的充電泵，使用P溝道可以直接驅動。
1（1）風扇控制電路筆記本電腦、臺式機和服務器等通常使用風扇給CPU和系統散熱，打印機進紙系統使用電機驅動，吸塵器、空氣凈化器、電風扇等白家電的電機控制電路，都使用全橋電路結構，每個橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣系統驅動簡單，元件數量少，體積小，結構簡潔，得到廣泛使用。
（2）大功率MOSFET或IGBT的驅動器大功率MOSFET或IGBT的驅動器有時候需要外接上、下對管組成的圖騰驅動器來增強驅動的能力，使用MOSFET對管組成的圖騰驅動器驅動速度非常快，因此在一些需要高速驅動的系統中得到使用。使用P管和N管封裝在一起的對管組成的圖騰驅動器，結構簡單，元件數量少。
（3）次級同步整流電路在次級同步整流電路中，通常選用低導通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET。現在的設計大多將同步整流功率MOSFET放在低端，而不是放在高端，優點是驅動簡單，但帶來的問題是：由于輸出的地相對是浮動的，因此會產生EMI的問題。
有些客戶的系統中有輔助的浮驅電源，這樣就可以將N溝道同步整流功率MOSFET管放在高端。
（4）通訊系統48V輸入系統的熱插撥如果是-48V的系統，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道類型，放在低端，可以直接驅動。
如果是+48V的系統，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端，雖然可以直接驅動，但輸出地會產生浮動的問題。使用P溝道的功率管放在高端，驅動簡單，但是這個電壓規格的P溝道的功率管的導通電阻大，而且成本高，因此一些半導體公司就開發了一些熱插撥的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實現自舉浮動。
（5）筆記本電腦輸入負載開關筆記本電腦輸入電壓為19V，進入系統前，通常在輸入的回路串聯二個背靠背的功率MOSFET，就是它們的D極是連接在一起的，這二個功率MOSFET有二個作用：
· 其中的一個相當于負載開關，限制輸入的浪涌電流。
· 另一個實現輸入防反接功能。
由于浮地的原因，這二個背靠背的功率管不能放在低端，也就是不能串聯接入輸入地，必須放在高端，也就是串聯接入輸入電源的正端回路。
以前這二個背靠背的功率管都采用P溝道的功率管，現在的系統對于成本和功耗的要求越來越高，P溝道的功率MOSFET的導通電阻大，正常工作的時候，靜態功耗也比較大，而且成本也高，選型的種類少。為了解決高端自舉驅動問題，一些半導體公司也開發了針對筆記本電腦應用的集成負載開關和電池充電等功能的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實現自舉浮動。即便如此，仍然有些系統采用容易驅動的P管。
筆記本電腦、電視機等應用中，板上的5V、3.3V等電源的負載開關，仍然采用驅動簡單的P管作為控制管。
（6）CCFL的背光以前筆記本電腦的CCFL背光使用全橋或半橋電路，和風扇控制電路相似，每個橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣的結構曾經得到廣泛使用。后來LED背光的大量使用，CCFL逐漸退出這個市場。
圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結構，都是溝槽型Trench結構。從結構上來看，襯底都是漏極D，但半導體的類型不同：N溝道的漏極是N型半導體，P溝道的漏極是P型半導體。
當N溝道的功率MOSFET的G極、S極加上正向電壓后，在G極的下面的P型體區，就會形成一個非常薄的反型層N型，這樣D極的N、反型層N、S極的N，就會形成導通的路徑。
P溝道的工作原理和N溝道類似，從上面導通過程可以看到：功率MOSFET是單極性器，N溝道的功率MOSFET只有電子導電，P溝道的功率MOSFET只有空穴導電。
硅半導體中，由于熱能的存在，電子和空穴，統稱為載流子，在晶格中不停的運動，與晶格的其它原子發生碰撞，使它們的運動發生偏轉、減速或加速。電子和空穴二次碰撞間移動的距離稱為平均自由程，通常用二次晶格碰撞的平均時間tc表示。
另外，電子和空穴，在電場的作用下，沿著特征的方向產生運動，這種運動稱為載流子的漂移。載流子由于電場的作用在晶格中平均移動的速度稱為漂移速度。載流子的漂移速度和電場成正比，比例系數稱為遷移率u。
vn = -un e
vp = up e
遷移率和tc成正比，由于空穴的有效質量比較大，因此在同樣的摻雜濃度下，空穴的遷移率遠小于電子，這意味著：同樣的晶元面積，P溝道的功率MOSFET的導通電阻也遠大于N溝道的功率MOSFET。
N溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到D極，由S極輸出；驅動電壓的正加在G極，驅動電壓的負加在S極。
P溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到S極，由D極輸出；驅動電壓的正加在S極，驅動電壓的負加在G極。
這樣的連接方式導致二種溝道的功率MOSFET的驅動方式不同，P溝道的S極連接的是電源的正極，這個電壓總是大于地電位，因此，相對于S極，只要將G極拉低到低于電源的電壓一定的值，就可以導通，如圖3所示，R1/R2將輸入的電壓分壓，保證穩定時加在G、S上的最大電壓不超過其額定值。
N溝道的G極電壓必須大于S極才能導通工作，如果S極連接到地電位，可以直接驅動，如圖3所示，橋式電路橋臂的下管。如果S極的電壓不是連接到地，如圖3中橋式電路橋臂的上管，S極的電壓是變動的，如果要驅動MOSFET正常的工作，必須保證在使用的過程，G極驅動信號的供電電源的負端連接在S極上。相對于系統的電源地，G極驅動信號的供電電源的負端相當于浮在S極上，就是常說的浮驅、浮地或自舉電源。
四、如何選擇，N溝通還是P溝道？
從上面的分析可以看到，如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源的地，那么選用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅動。如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源正端，那么選用P溝道的功率MOSFET，也可以直接驅動。
對于一個橋式電路的上下橋臂，上管使用P溝道的功率MOSFET，可以直接驅動，驅動電路設計簡單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET，那么必須采用浮驅或自舉電路，驅動電路比較復雜。對于下管，使用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅動。
功率MOSFET的溝道類型確定后，第二步就要確定封裝，封裝選取原則有：
不同的封裝尺寸具有不同的熱阻和耗散功率，除了考慮系統的散熱條件和環境溫度，如是否有風冷、散熱器的形狀和大小限制、環境是否封閉等因素，基本原則就是在保證功率MOSFET的溫升和系統效率的前提下，選取參數和封裝更通用的功率MOSFET。
有些電子系統受制于PCB的尺寸和內部的高度，如通信系統的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝；在有些ACDC的電源中，使用超薄設計或由于外殼的限制，裝配時TO220封裝的功率MOSFET管腳直接插到根部，高度的限制不能使用TO247的封裝。有些超薄設計直接將器件管腳折彎平放，這種設計生產工序會變復雜。
TO220有二種封裝：裸露金屬的封裝和全塑封裝，裸露金屬的封裝熱阻小，散熱能力強，但在生產過程中，需要加絕緣墜，生產工藝復雜成本高，而全塑封裝熱阻大，散熱能力弱，但生產工藝簡單。
為了減小鎖螺絲的人工工序，近幾年一些電子系統采用夾子將功率MOSFET夾在散熱片中，這樣就出現了將傳統的TO220上部帶孔的部分去除的新的封裝形式，同時也減小的器件的高度。
在臺式機主板、板卡等一些對成本極其敏感的應用中，通常采用DPAK封裝的功率MOSFET，因為這種封裝的成本低。
因此在選擇功率MOSFET的封裝時，要結合自己公司的風格和產品的特點，綜合考慮上面因素。
在大多數情況下，因為設計的電子系統輸入電壓是相對固定的，公司選取特定的供應商的一些料號，產品額定電壓也是固定的。
數據表中功率MOSFET的擊穿電壓BVDSS有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，而且BVDSS具有正溫度系數，在實際的應用中要結合這些因素綜合考慮。
很多資料和文獻中經常提到：如果系統中功率MOSFET的VDS的最高尖峰電壓如果大于BVDSS，即便這個尖峰脈沖電壓的持續只有幾個或幾十個ns，功率MOSFET也會進入雪崩從而發生損壞。
不同于三極管和IGBT，功率MOSFET具有抗雪崩的能力，而且很多大的半導體公司功率MOSFET的雪崩能量在生產線上是全檢的、100%檢測，也就是在數據中這是一個可以保證的測量值，雪崩電壓通常發生在1.2～1.3倍的BVDSS，而且持續的時間通常都是μs、甚至ms級，那么持續只有幾個或幾十個ns、遠低于雪崩電壓的尖峰脈沖電壓是不會對功率MOSFET產生損壞的。
不同電子系統的功率MOSFET選取的驅動電壓并不相同，AC/DC電源通常使用12V的驅動電壓，筆記本的主板DC/DC變換器使用5V的驅動電壓，因此要根據系統的驅動電壓選取不同閾值電壓VTH的功率MOSFET。
數據表中功率MOSFET的閾值電壓VTH也有確定的測試條件，在不同的條件下具有不同的值，VTH具有負溫度系數。不同的驅動電壓VGS對應著不同的導通電阻，在實際的應用中要考慮溫度的變化，既要保證功率MOSFET完全開通，同時又要保證在關斷的過程中耦合在G極上的尖峰脈沖不會發生誤觸發產生直通或短路。
工程師盡可能沿用以前項目中或物料庫中現有的元件，對于RDSON的真正的選取方法并沒有太多的考慮。當選用的功率MOSFET的溫升太低，出于成本的考慮，會改用RDSON大一些的元件；當功率MOSFET的溫升太高、系統的效率偏低，就會改用RDSON小一些的元件，或通過優化外部的驅動電路，改進散熱的方式等來進行調整。
如果是一個全新的項目，沒有以前的項目可循，那么如何選取功率MOSFET的RDSON？這里介紹一個方法給大家：功耗分配法。
當設計一個電源系統的時候，已知條件有：輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率、工作頻率、驅動電壓，當然還有其他的技術指標和功率MOSFET相關的主要是這些參數。步驟如下：
（1）根據輸入電壓范圍、輸出電壓/輸出電流、效率，計算系統的最大損耗。
（2）功率回路的雜散損耗，非功率回路元件的靜態損耗，IC的靜態損耗以及驅動損耗，做大致的估算，經驗值可以占總損耗的10%～15%。如果功率回路有電流取樣電阻，計算電流取樣電阻的功耗。總損耗減去上面的這些損耗，剩下部分就是功率器件、變壓器或電感的功率損耗。
將剩下的功率損耗按一定的比例分配到功率器件和變壓器或電感中，不確定的話，按元件數目平均分配，這樣就得到每個MOSFET的功率損耗。
（3）將MOSFET的功率損耗，按一定的比例分配給開關損耗和導通損耗，不確定的話，平均分配開關損耗和導通損耗。
（4）由MOSFET導通損耗和流過的有效值電流，計算最大允許的導通電阻，這個電阻是MOSFET在最高工作結溫的RDSON。
數據表中功率MOSFET的RDSON標注有確定的測試條件，在不同的定義的條件下具有不同的值，測試的溫度為：TJ=25℃，RDSON具有正溫度系數，因此根據MOSFET最高的工作結溫和RDSON溫度系數，由上述RDSON計算值，得到25℃溫度下對應的RDSON。
（5）由25℃的RDSON來選取型號合適的功率MOSFET，根據MOSFET的RDSON實際參數，向下或向上修整。
功率MOSFET在開關過程中產生開關損耗，開關損耗主要和這些開關特性參數有關。QG影響驅動損耗，這一部分損耗并不消耗在功率MOSFET中，而且是消耗在驅動IC中。QG越大，驅動損耗越大。
基于RDSON選取了功率MOSFET的型號后，這些開關特性參數都可以在數據表中查到，然后根據這些參數計算開關損耗。
根據選取的功率MOSFET的數據表和系統的工作狀態，計算其導通損耗和開關損耗，由總的功率損耗和工作的環境溫度計算MOSFET的最高結溫，校核其是否在設計的范圍。所有條件基于最惡劣的條件，然后由計算的結果做相應的調整。
如果總的損耗偏大，大于分配的功率損耗，那么就要重新選取其他型號的功率MOSFET，可以查看比選取的功率MOSFE的RDSON更大或更小的其他型號，再次校核總的功率損耗，上述過程通常要配合第5、6步，經過幾次的反復校驗，最后確定與設計相匹配的型號，直到滿足設計的要求。
在橋式電路中如全橋、半橋、LLC以及BUCK電路的下管，有內部寄生二極管的反向恢復的問題，最簡單的方法就是采用內部帶快恢復二極管的功率MOSFET，如果內部不帶快恢復二極管，就要考慮內部寄生二極管的反向恢復特性：Irrm、Qrr、trr、trr1/trr2，如trr要小于250ns，這些參數影響著關斷的電壓尖峰、效率，以及可靠性，如在LLC的起動、短路中，系統進入容性模式、若二極管反向恢復性能較差，容易產生上下管直通而損壞的問題。如果控制器具有容性模式保護功能，就不用考慮這個因素。
雪崩能量及測試的條件參考下面的文章，有非常詳細的詳明。除了反激和一些電機驅動的應用，大多結構不會發生這種單純的電壓箝位的雪崩，很多應用情況下，二極管反向恢復過程中dv/dt、過溫以及大電流的綜合作用產生動態雪崩擊穿損壞，相關的內容可參考文章。
內部RG的大小、負載開關和熱插撥工作在線性區的問題、SOA特性，和EMI相關的參數、等等。
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