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          如何準(zhǔn)確選擇功率器件一

          作者: 時間:2012-12-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          所謂功率半導(dǎo)體器件,以前也被稱為電力電子器件,簡單來說,就是進(jìn)行功率處理的,具有處理高電壓,大電流能力的半導(dǎo)體器件。其電壓處理范圍從幾十V~幾千V,電流能力最高可達(dá)幾千A。典型的功率處理,包括變頻、變壓、變流、功率管理等等。

            早期的功率半導(dǎo)體器件包括:大功率二極管、晶閘管等等,主要用于工業(yè)和電力系統(tǒng)(正因如此,早期才被稱為電力電子器件)

            后來,隨著以功率MOSFET器件為代表的新型功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展,現(xiàn)在功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)非常廣泛, 在計算機(jī)、通行、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的4C行業(yè)(computer、communication、consumer electronics、cartronics),功率半導(dǎo)體器件可以說是越來越火,現(xiàn)在不是要節(jié)能環(huán)保嗎,所以就需要對電壓電流的運(yùn)用進(jìn)行有效的控制,這就與密不可分! 功率管理集成電路(Power Management IC,也被稱為電源管理IC)已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件的熱點,發(fā)展非常迅速噢!

            如何正確選擇MOSFET管

            隨著制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,系統(tǒng)設(shè)計人員必須跟上技術(shù)的發(fā)展步伐,才能為其設(shè)計挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣系統(tǒng)中的基本部件,工程師需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標(biāo)才能做出正確選擇。本文將討論如何根據(jù)RDS(ON)、熱性能、雪崩擊穿電壓及開關(guān)性能指標(biāo)來選擇正確的MOSFET。

            MOSFET的選擇

            MOSFET有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中,MOSFET可被看成電氣開關(guān)。當(dāng)在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時,其開關(guān)導(dǎo)通。導(dǎo)通時,電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)阻,稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)。必須清楚MOSFET的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓。如果柵極為懸空,器件將不能按設(shè)計意圖工作,并可能在不恰當(dāng)?shù)臅r刻導(dǎo)通或關(guān)閉,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當(dāng)源極和柵極間的電壓為零時,開關(guān)關(guān)閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。

            第一步:選用N溝道還是P溝道

            為設(shè)計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應(yīng)用中,當(dāng)一個MOSFET接地,而負(fù)載連接到干線電壓上時,該MOSFET就構(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中,應(yīng)采用N溝道MOSFET,這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當(dāng)MOSFET連接到總線及負(fù)載接地時,就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓?fù)渲胁捎肞溝道MOSFET,這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮。

            要選擇適合應(yīng)用的器件,必須確定驅(qū)動器件所需的電壓,以及在設(shè)計中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓,或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大,器件的成本就越高。根據(jù)實踐經(jīng)驗,額定電壓應(yīng)當(dāng)大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的保護(hù),使MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設(shè)計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍,確保電路不會失效。設(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)備(如電機(jī)或變壓器)誘發(fā)的電壓瞬變。不同應(yīng)用的額定電壓也有所不同;通常,便攜式設(shè)備為20V、FPGA電源為20~30V、85~220VAC應(yīng)用為450~600V。
          第二步:確定額定電流

            第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定,該額定電流應(yīng)是負(fù)載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似,設(shè)計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流,即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導(dǎo)通模式下,MOSFET處于穩(wěn)態(tài),此時電流連續(xù)通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流,只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。

            選好額定電流后,還必須計算導(dǎo)通損耗。在實際情況下,MOSFET并不是理想的器件,因為在導(dǎo)電過程中會有電能損耗,這稱之為導(dǎo)通損耗。MOSFET在“導(dǎo)通”時就像一個可變電阻,由器件的RDS(ON)所確定,并隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導(dǎo)通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高,RDS(ON)就會越??;反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設(shè)計人員來說,這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設(shè)計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業(yè)設(shè)計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

            技術(shù)對器件的特性有著重大影響,因為有些技術(shù)在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(shù),如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù),其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

            在溝道技術(shù)中,晶片中嵌入了一個深溝,通常是為低電壓預(yù)留的,用于降低導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響,開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。



          關(guān)鍵詞: 功率器件

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