MOS管的基礎選型

MOS管有兩大類型：N 溝道和 P 溝道。在功率系統中，MOS管可被看成電氣開關。當在 N 溝道MOS管的柵極和源極間加上正電壓時，其開關導通。導通時，電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻，稱為導通電阻 RDS(ON)。必須清楚MOS管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，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時刻導通或關閉，導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關關閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉，但仍然有微小電流存在，這稱之為漏電流，即 IDSS。

作為電氣系統中的基本部件，工程師如何根據參數做出正確選擇呢？本文將討論如何通過四步來選擇正確的MOS管。

1）溝道的選擇

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用 N 溝道還是 P 溝道MOS管。在典型的功率應用中，當一個MOS管接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOS管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用 N 溝道MOS管，這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOS管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用 P 溝道MOS管，這也是出于對電壓驅動的考慮。

2）電壓和電流的選擇

額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實踐經驗，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MOS管不會失效。就選擇MOS管而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大 VDS。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(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，便攜式設備為 20V、FPGA 電源為20～30V、85～220VAC 應用為 450～600V。

在連續(xù)導通模式下，MOS管處于穩(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。

3）計算導通損耗

MOS管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。對便攜式設計來說，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。關于 RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

需要提醒設計人員，一般來說 MOS 管規(guī)格書標注的 Id 電流是 MOS 管芯片的最大常態(tài)電流，實際使用時的最大常態(tài)電流還要受封裝的最大電流限制。因此客戶設計產品時的最大使用電流設定要考慮封裝的最大電流限制。

建議客戶設計產品時的最大使用電流設定更重要的是要考慮 MOS 管的內阻參數。

4）計算系統的散熱要求

設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果，因為這個結果提供更大的安全余量，能確保系統不會失效。在MOS管的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

開關損耗其實也是一個很重要的指標。從下圖可以看到，導通瞬間的電壓電流乘積相當大。

一定程度上決定了器件的開關性能。不過，如果系統對開關性能要求比較高，可以選擇柵極電荷 QG 比較小的功率MOSFET。

MOS管參數

（1）MOS管主要參數

飽和漏極電流IDSS它可定義為：當柵、源極之間的電壓等于零，而漏、源極之間的電壓大于夾斷電壓時，對應的漏極電流。

夾斷電壓UP它可定義為：當UDS一定時，使ID減小到一個微小的電流時所需的UGS。

開啟電壓UT它可定義為：當UDS一定時，使ID到達某一個數值時所需的UGS。

（2）MOS管交流參數

交流參數可分為輸出電阻和低頻互導2個參數，輸出電阻一般在幾十千歐到幾百千歐之間，而低頻互導一般在十分之幾至幾毫西的范圍內，特殊的可達100mS，甚至更高。

低頻跨導gm它是描述柵、源電壓對漏極電流的控制作用。

極間電容MSO管三個電極之間的電容，它的值越小表示管子的性能越好。

（3）MOS管極限參數

①最大漏極電流是指管子正常工作時漏極電流允許的上限值，

②最大耗散功率是指在管子中的功率，受到管子最高工作溫度的限制，

③最大漏源電壓是指發(fā)生在雪崩擊穿、漏極電流開始急劇上升時的電壓，

④最大柵源電壓是指柵源間反向電流開始急劇增加時的電壓值。

除以上參數外，還有極間電容、高頻參數等其他參數。

漏、源擊穿電壓當漏極電流急劇上升時，產生雪崩擊穿時的UDS。

柵極擊穿電壓結型MOS管正常工作時，柵、源極之間的PN結處于反向偏置狀態(tài)，若電流過高，則產生擊穿現象。

（4）使用時主要關注的MOS管參數

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵MOS管中，柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵MOS管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。

3、UT—開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。

4、gM—跨導。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量MOS管放大能力的重要參數。

5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，MOS管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在MOS管上的工作電壓必須小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項極限參數，是指MOS管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，MOS管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數，是指MOS管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。MOS管的工作電流不應超過IDSM。

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