如何为电源设计选择合适的MOSFET

MOSFET是半导体组件，主要用于开关应用，并且具有高电压和高电流的特点。它们具有更高的效率和更高的高速开关容量，使其成为电源设计中的最佳选择。让我们看一些标准，以帮助为电力电子项目选择合适的MOSFET 。

逻辑开关行为的参数

不管给定项目使用的逻辑（和模拟）级别如何，都有不同的阈值确定设备的明显饱和或间断。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域，以确保两个层之间的过渡不会太突然。该区域定义为“非法”或“不确定”区域，如图1所示。

图1：通用MOSFET的逻辑电平

观察最小和最大栅极-源极阈值电压很重要，如下所示：

VGS（th）（最小值）是栅极电压的值，低于该值MOSFET就会关断。

VGS（th）（max）是栅极电压值，高于该电压MOSFET将导通。

通常，最小栅极电压（对于5V正逻辑）在0.5V至1V之间。那些高于最大阈值的栅极电压会导通MOSFET。最低点和最高点之间的电压可能会导通或关断MOSFET。必须避免使用它们，因为它们表示不确定性区域，并且无法事先预测MOSFET的性能。因此，有必要在设计新系统的逻辑之前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路图，该图提供了一个用96 V电压供电的8Ω负载。在这种情况下，MOSFET可以用作电子开关，并且可以通过驱动“门”来激活。一个合适的电源。对于UnitedSiC UF3C065080T3S型号，适用于“栅极”的电压范围为–25 V至25V。

图2：电子开关的总图

现在，根据栅极电压，观察负载R1上流过的电流，看看MOSFET的导电性能如何。相对图如图3所示。对于–25 V至5.8 V之间的所有“栅极”电压，该组件均保持关断状态（开关断开）。从6.4 V至25 V，MOSFET的行为就像一个闭合开关。

图3：通过改变MOSFET的“栅极”电压，可以改变MOSFET的工作方式。

栅极电压在5.8 V至6.4 V之间（等效偏移为600 mV），该MOSFET实际上在线性区域内工作。如图4的SiC功率图所示，必须避免这个时间间隔，因为该组件会散发大量的热功率。实际上，M1的平均功率（红色曲线）的耗散如下：

• 停电期间：0 W
• 在饱和期间：12.5 W
• 在不确定时期和线性范围内：133.75 W，峰值为288 W

电路的效率也很大程度上取决于这一方面。

图4：必须避免在MOSFET的“栅极”上施加不确定的电压。否则，其耗散将非常高。

R DS（ON）参数

R DS（ON）的意思是“漏极和源极之间的导通电阻”。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。如果此参数较低，则根据欧姆定律，意味着MOSFET损失的能量更少，并导致更高的能量效率和更少的热量产生。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，可以使用以下公式轻松计算R DS（ON）：

R DS（开） = V（漏极） / I（漏极）

从中：

R DS（开） = 1.00574 / 11.87428

根据组件数据手册的官方规格，其返回值等于0.084Ω（84mΩ）。

输入（C iss）和输出（C oss）电容参数

MOSFET本体上的“栅极”，氧化层和相对连接实际上就像一个小电容器一样起作用。一旦“门”受到电压，此虚拟电容器就会开始充电。充电需要时间，因此打开状态会有延迟。设计人员应选择尽可能低的输入电容的MOSFET，以避免长时间的延迟。如果使用直接连接到MCU输出引脚的MOSFET，则应通过外部电阻器连接“门”，以防止产生不良结果。关于所使用的SiC模型，其电容参数如下：

• 输入电容（Ciss）：在VDS = 100 V，VGS= 0 V，F = 100 kHz时– 1,500 pF

• 输出电容（Ciss）：在VDS = 100 V时，VGS= 0 V，F = 100 kHz — 104 pF

与切换速度有关的参数

MOSFET特别适合于快速开关应用。频率越高，变压器必须越小，但是传输的噪声会增加。无论如何，将组件链接到开关速度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中的曲线图显示了在两个频率下切换MOSFET的两种不同行为。上图以1 MHz的开关频率为参考，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，该组件在此频率下的行为非常好。下图改为表示频率为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

对于那些必须选择MOSFET（或MOSFETS）的人来说，所检查的参数只是其中的几个。设计人员可以研究与组件有关的其他特性，例如散热和其他参数。与MOSFET一起工作是非常有趣的经历，它可以极大地提高电路效率并扩大其工作可能性。要观察的其他工作参数是反向恢复，ESD保护，开关损耗，支持的最大电压和电流以及许多其他参数。

编辑：hfy