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场效应 管的选型及应用概览

作者: 深圳市 远志电子有限公司发表时间:2018-01-09 10:49:59浏览量:546

场效应 管广泛使用在模拟电路与数字电路中,和我们 的生活密不可分。场效应管的优势在于:首先驱 动电路比较简单。场效应 管需要的驱动电流比BJT则小得多,而且通常可以直接由.....
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    场效应 管广泛使用在模拟电路与数字电路中,和我们 的生活密不可分。场效应管的优势在于:首先驱 动电路比较简单。场效应 管需要的驱动电流比BJT则小得多,而且通常可以直接由CMOS或者集电极开路TTL驱动电路驱动;其次场 效应管的开关速度比较迅速,能够以 较高的速度工作,因为没 有电荷存储效应;另外场 效应管没有二次击穿失效机理,它在温 度越高时往往耐力越强,而且发 生热击穿的可能性越低,还可以 在较宽的温度范围内提供较好的性能。场效应 管已经得到了大量应用,在消费电子、工业产品、机电设备、智能手 机以及其他便携式数码电子产品中随处可见。

    近年来,随着汽车、通信、能源、消费、绿色工 业等大量应用场效应管产品的行业在近几年来得到了快速的发展,功率场 效应管更是备受关注。据预测,2010-2015年中国功率MOSFET市场的 总体复合年度增长率将达到13.7%。 虽然市场研究公司 iSuppli 表示由 于宏观的投资和经济政策和日本地震带来的晶圆与原材料供应问题,今年的 功率场效应管市场会放缓,但消费 电子和数据处理的需求依然旺盛,因此长期来看,功率场 效应管的增长还是会持续一段相当长的时间。

    技术一直在进步,功率场 效应管市场逐渐受到了新技术的挑战。例如,业内有 不少公司已经开始研发GaN功率器件,并且断 言硅功率场效应管的性能可提升的空间已经非常有限。不过,GaN 对功率 场效应管市场的挑战还处于非常初期的阶段,场效应 管在技术成熟度、供应量 等方面仍然占据明显的优势,经过三十多年的发展,场效应 管市场也不会轻易被新技术迅速替代。

    五年甚 至更长的时间内,场效应 管仍会占据主导的位置。场效应 管也仍将是众多刚入行的工程师都会接触到的器件,本期内 容将会从基础开始,探讨场 效应管的一些基础知识,包括选型、关键参数的介绍、系统和 散热的考虑等为大家做一些介绍。

    一.场效应管的基础选型

    场效应管有两大类型:N沟道和P沟道。在功率系统中,场效应 管可被看成电气开关。当在N沟道场 效应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 楚场效应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场效应管。

    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沟道场效应管。在典型的功率应用中,当一个场效应管接地,而负载 连接到干线电压上时,该场效 应管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道场效应管,这是出 于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效 应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沟道场效应管,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,使场效应管不会失效。就选择场效应管而言,必须确 定漏极至源极间可能承受的较大电压,即大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,场效应管处于稳态,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 定了这些条件下的电流,只需直 接选择能承受这个大电流的器件便可。

    3)计算导通损耗。场效应 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 的较大常态电流,实际使 用时的较大常态电流还要受封装的较大电流限制。因此客 户设计产品时的较大使用电流设定要考虑封装的较大电流限制。建议客 户设计产品时的较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,即坏情况和真实情况。建议采 用针对坏情况的计算结果,因为这 个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在场效 应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,以及较大的结温。

    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。


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