10步法則:實用的MOSFET選型方法

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1、功率MOSFET選型第一步:P管,還是N管? 

功率MOSFET有二種類型: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MOSFETS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)通訊系統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。

2、選取封裝類型

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:

1)溫升和熱設計是選取封裝最基本的要求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

有時候由于其它條件的限制,需要使用多個MOSFET并聯的方式來解決散熱的問題,如在PFC應用、電動汽車電機控制器、通訊系統的模塊電源次級同步整流等應用中,都會選取多管并聯的方式。

如果不能采用多管并聯,除了選取性能更優異的功率MOSFET,另外可以采用更大尺寸的封裝或新型封裝,比如在一些ACDC電源中將TO220改成TO247封裝;在一些通訊系統的電源中,采用DFN8*8的新型封裝。

2)系統的尺寸限制

有些電子系統受制于PCB的尺寸和內部的高度,如通訊系統的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6DFN3*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。

在大容量的鋰電池保護板的設計中,由于尺寸限制極為苛刻,現在大多使用芯片級的CSP封裝,盡可能的提高散熱性能,同時保證最小的尺寸。

3)公司的生產工藝

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。

4)成本控制

早期很多電子系統使用插件封裝,這幾年由于人工成本增加,很多公司開始改用貼片封裝,雖然貼片的焊接成本比插件高,但是貼片焊接的自動化程度高,總體成本仍然可以控制在合理的范圍。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。

3、選取耐壓BVDSS

在大多數情況下,似乎選取功率MOSFET的耐壓對于很多工程師來說是最容易的一件事情,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。比如在筆記本電腦適配器、手機充電器中,輸入為90-265V的交流,初級通常選用600V650V的功率MOSFET;筆記本電腦主板輸入電壓19V,通常選用30V的功率MOSFET,根本不需要任何的考慮。

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uS、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。

為什么在實際的設計中,要求在最極端的情況下,功率MOSFET的最大VDS電壓必須低于BVDSS、同時還要有一定的降額,如5%10%,甚至20%的降額?

原因在于:保證電子系統的可生產性,以及在大批量生產時候的可靠性。

任何電子系統的設計,實際的參數都會有一定的變化范圍,有時候很難保證多個極端的情況碰到一起,從而對系統產生問題,特別是在高溫的條件下,功率器件以及系統的其它元件溫度系數的漂移會產生一些難以想象的問題,降額以及設計的裕量可以盡可能的減小在這些極端條件下發生損壞的問題。

4、由驅動電壓選取VTH

不同電子系統的功率MOSFET選取的驅動電壓并不相同,ACDCD電源通常使用12V的驅動電壓,筆記本的主板DCDC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。

5、選取導通電阻RDSON,注意:不是電流

很多時候工程師關心RDSON,是因為RDSON和導通損耗直接相關,RDSON越小,功率MOSFET的導通損耗越小、效率越高、溫升越低。同樣的,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。

想一想: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

這里作者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,當然還有其它的技術指標,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MOSFETRDSON實際參數,向下或向上修整。

通過以上步驟,就初步選定功率MOSFET的型號和RDSON參數。

很多資料和文獻中,經常計算系統的最大電流,然后進行降額,由功率MOSFET數據表的電流值來選取器件,這種方法是不對的。

功率MOSFET的電流是一個計算值,而且是基于TC=25℃,也沒有考慮開關損耗,因此這種方法和實際的應用差距太大,沒有參考價值。在一些有大電流沖擊要求有短路保護的應用中,會校核數據表中的最大漏極脈沖電流值及其持續時間,這個和選取RDSON沒有直接的關系。

6、選取開關特性:CrssCossCissQgQgdQoss

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。

7、熱設計及校核

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它型號的功率MOSFET,可以查看比選取的功率MOSFERDSON更大或更小的其它型號,再次校核總的功率損耗,上述過程通常要配合第56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。

有時候由于產品型號的限制找不到參數合適的產品,可以采用以下的方法:

1)使用多管并聯的方式,來解決散熱和溫升的問題。

2)將功率損耗重新分配,變壓器或電感、其它的功率元件分配更多的功耗。更改功率分配的時候,也要保證其它元件的溫升滿足系統設計要求。

3)如果系統允許,改變散熱的方式或加大散熱器的尺寸。

4)其它因素,調整工作頻率、更改電路結構等,如PFC采用交錯結構,采用LLC或其它軟開關電路。

8、校核二極管特性

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:IrrmQrrtrrtrr1/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。

9、雪崩能量及UISdv/dt

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,相關的內容可參考以后推送的文章。

10、其它參數

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。


2018年12月17日 17:08
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