【MOS管選型】MOSFET應(yīng)用方案分析-KIA MOS管

MOSFET應(yīng)用案例解析

1、開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用

從定義上而言，這種應(yīng)用需要MOSFET定期導(dǎo)通和關(guān)斷。同時(shí)，有數(shù)十種拓?fù)淇捎糜陂_(kāi)關(guān)電源，這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。

DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依靠?jī)蓚€(gè)MOSFET來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能（下圖），這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量開(kāi)釋給負(fù)載。

目前，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開(kāi)關(guān)電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

2、電機(jī)控制應(yīng)用

電機(jī)控制應(yīng)用是功率MOSFET大有用武之地的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。典型的半橋式控制電路采用2個(gè)MOSFET（全橋式則采用4個(gè)），但這兩個(gè)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）相等。對(duì)于這類(lèi)應(yīng)用，反向恢復(fù)時(shí)間（trr）非常重要。

在控制電感式負(fù)載（比如電機(jī)繞組）時(shí)，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)橋式電路中的另一個(gè)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)MOSFET中的體二極管臨時(shí)反向傳導(dǎo)電流。

于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為電機(jī)供電。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)MOSFET再次導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)MOSFET二極管中存儲(chǔ)的電荷必須被移除，通過(guò)第一個(gè)MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr越短，這種損耗越小。

3、汽車(chē)應(yīng)用

過(guò)去的近20年里，汽車(chē)用功率MOSFET已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。選用功率MOSFET是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷?chē)電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡(jiǎn)單，主要采用TO220和TO247封裝。

同時(shí)，電動(dòng)車(chē)窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車(chē)的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類(lèi)似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、螺線管和燃油噴射器日益普及，車(chē)用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

汽車(chē)設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機(jī)控制設(shè)備橋接配置會(huì)使用30V和40V擊穿電壓型號(hào)；而在必須控制負(fù)載突卸和突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì)使用60V裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載；

當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。

汽車(chē)MOSFET驅(qū)動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負(fù)載包括電機(jī)、閥門(mén)、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。

開(kāi)關(guān)頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機(jī)控制不適用開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點(diǎn)溫度極限下（-40度至175度，有時(shí)高達(dá)200度）的工作狀況，以及超越汽車(chē)使用壽命的高可靠性。

4、LED燈具的驅(qū)動(dòng)

設(shè)計(jì)LED燈具的時(shí)候經(jīng)常要使用MOS管，對(duì)LED恒流驅(qū)動(dòng)而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導(dǎo)通之前要先對(duì)該電容充電，當(dāng)電容電壓超過(guò)閾值電壓（VGS-TH）時(shí)MOSFET才開(kāi)始導(dǎo)通。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)等效柵極電容（CEI）的充電。

而MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系。使用者雖然無(wú)法降低Cin的值，但可以降低柵極驅(qū)動(dòng)回路信號(hào)源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度一般IC驅(qū)動(dòng)能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅(qū)動(dòng)恒流IC。

內(nèi)置MOSFET的IC當(dāng)然不用我們?cè)倏紤]了，一般大于1A電流會(huì)考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適的驅(qū)動(dòng)能力，MOSFET輸入電容是關(guān)鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結(jié)電容。

一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)值大小同IC的峰值驅(qū)動(dòng)輸出能力有關(guān)，可以近似認(rèn)為R=Vcc/Ipeak.一般結(jié)合IC驅(qū)動(dòng)能力Rg選擇在10-20Ω左右。

一般的應(yīng)用中IC的驅(qū)動(dòng)可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,但是考慮到通常驅(qū)動(dòng)走線不是直線，感量可能會(huì)更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅(qū)動(dòng)電阻進(jìn)行抑制。考慮到走線分布電容的影響，這個(gè)電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時(shí)電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時(shí)為了保證柵極電荷快速瀉放，此時(shí)阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個(gè)二極管。

當(dāng)瀉放電阻過(guò)小，由于走線電感的原因也會(huì)引起諧振（因此有些應(yīng)用中也會(huì)在這個(gè)二極管上串一個(gè)小電阻），但是由于二極管的反向電流不導(dǎo)通，此時(shí)Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。

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