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实际上使用MOSFET,直接在市场上挑选所需要的就行了。我们可以把MOSFET选型分成六个步骤。并且,以Cree旗下公司Wolfspeed于近期宣布推出新型15-mΩ和60-mΩ 650V碳化硅 MOSFET为例。


第一步:选用N沟道还是P沟道?


  1. 当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关,应采用N沟道MOSFET。
  2. 当MOSFET连接到总线,而负载接地时,该MOSFET就构成了高压侧开关,通常采用P沟道MOSFET。 

 

第二步:确定额定电压


确定所需的额定电压,或者说器件所能承受的最大电压。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或总线电压。


  1. 额定电压越大,器件的成本就越高;
  2. 额定电压会随温度而变化,必须保证整个工作温度范围不会失效;
  3. 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;
挑选一个碳化硅MOSFET

不同应用的额定电压也有所不同:便携式设备为20V,FPGA电源为20~30V、85~220V,AC应用为450~600V。

挑选一个碳化硅MOSFET

第三步:确定额定电流 


与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOSFET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。  

挑选一个碳化硅MOSFET

第四步,计算损耗


MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。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。

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第五步:确定热要求 


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。


器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。 

 

一个常见的特殊情况是雪崩击穿——反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,而且有可能损坏器件。


第六步:决定开关性能


影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极、漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。

挑选一个碳化硅MOSFET

参考文献

看完这篇,请不要再说不懂MOSFET!

Cree | Wolfspeed 650V系列碳化硅MOSFET,满足当今高功率应用要求


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