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MOS管选型基础与参数要点-MOS管选型注意事项-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-03-08 

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MOS管的基础选型

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?本文将讨论如何通过四步来选择正确的MOS管。


MOS管基础选型

1)沟道的选择

为设计选择正确器件的第一步是决定采用 N 沟道还是 P 沟道MOS管。在典型的功率应用中,当一个MOS管接地,而负载连接到干线电压上时,该MOS管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用 N 沟道MOS管,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOS管连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用 P 沟道MOS管,这也是出于对电压驱动的考虑。


2)电压和电流的选择

额定电压越大,器件的成本就越高。根据实践经验,额定电压应当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。就选择MOS管而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大 VDS。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同;通常,便携式设备为 20V、FPGA 电源为20~30V、85~220VAC 应用为 450~600V。


在连续导通模式下,MOS管处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。


3)计算导通损耗

MOS管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。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意 RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于 RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。


需要提醒设计人员,一般来说 MOS 管规格书标注的 Id 电流是 MOS 管芯片的最大常态电流,实际使用时的最大常态电流还要受封装的最大电流限制。因此客户设计产品时的最大使用电流设定要考虑封装的最大电流限制。


建议客户设计产品时的最大使用电流设定更重要的是要考虑 MOS 管的内阻参数。


4)计算系统的散热要求

设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOS管的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。

开关损耗其实也是一个很重要的指标。从下图可以看到,导通瞬间的电压电流乘积相当大。


一定程度上决定了器件的开关性能。不过,如果系统对开关性能要求比较高,可以选择栅极电荷 QG 比较小的功率MOSFET。


MOS管参数

(1)MOS管主要参数

饱和漏极电流IDSS它可定义为:当栅、源极之间的电压等于零,而漏、源极之间的电压大于夹断电压时,对应的漏极电流。

夹断电压UP它可定义为:当UDS一定时,使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS。

开启电压UT它可定义为:当UDS一定时,使ID到达某一个数值时所需的UGS。


(2)MOS管交流参数

交流参数可分为输出电阻和低频互导2个参数,输出电阻一般在几十千欧到几百千欧之间,而低频互导一般在十分之几至几毫西的范围内,特殊的可达100mS,甚至更高。


低频跨导gm它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。

极间电容MSO管三个电极之间的电容,它的值越小表示管子的性能越好。


(3)MOS管极限参数

①最大漏极电流是指管子正常工作时漏极电流允许的上限值,

②最大耗散功率是指在管子中的功率,受到管子最高工作温度的限制,

③最大漏源电压是指发生在雪崩击穿、漏极电流开始急剧上升时的电压,

④最大栅源电压是指栅源间反向电流开始急剧增加时的电压值。


除以上参数外,还有极间电容、高频参数等其他参数。

漏、源击穿电压当漏极电流急剧上升时,产生雪崩击穿时的UDS。

栅极击穿电压结型MOS管正常工作时,栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态,若电流过高,则产生击穿现象。


(4)使用时主要关注的MOS管参数

1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅MOS管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅MOS管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。

3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。

4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量MOS管放大能力的重要参数。

5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时,MOS管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在MOS管上的工作电压必须小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数,是指MOS管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,MOS管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数,是指MOS管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。MOS管的工作电流不应超过IDSM。


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