MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)是一种广泛应用于电子电路中的电力控制器件。根据导电通道的不同,MOSFET分为两种基本类型:NMOS(N型导电通道的MOSFET)和PMOS(P型导电通道的MOSFET)。MOSFET可以进一步根据功率等级分类为逻辑MOS和功率MOS。逻辑MOS管具有较低的门级导通电压,适用于数字电路和驱动电路等小功率场合,而功率MOS管适用于更大功率的应用。
在设计MOSFET驱动电路时,需要注意不同类型MOSFET驱动的电路设计。例如,增强型MOSFET在无栅极电压的情况下无沟道存在,其阈值电压对于NMOS为正值,而PMOS为负值;相对地,耗尽型MOSFET在无栅极电压时沟道已存在,其阈值电压对于NMOS为负值,对于PMOS为正值。现代应用中,增强型MOSFET是主流选择,耗尽型MOSFET主要存在于理论研究中。
驱动电路设计是MOSFET设计中非常重要的部分。市场上有众多成熟的驱动芯片,从单个MOSFET的驱动到三相桥臂驱动,都有相对应的集成驱动芯片。这些驱动芯片不仅提供基本的驱动功能,还集成了硬件短路保护、内置死区时间控制、自举二极管和逻辑诊断等辅助功能。随着技术进步,国产驱动芯片在成本、性能等方面逐渐获得市场优势。
MOSFET选型时,必须考虑耐压、损耗和热阻三个重要参数。耐压参数(VDS)指示MOSFET所能承受的最大漏源电压,为了保证可靠性,选型时需在该值基础上预留10%~20%的余量。MOSFET在开关过程中可能会承受电压尖峰,这要求在驱动电路设计和PCB布局时需考虑减少寄生电感,同时可以适度延长MOSFET的关断时间以减少开关损耗,但需要权衡由此带来的开关损耗增加。
MOSFET的损耗主要包括导通损耗和开关损耗。导通损耗容易理解且与温度相关,MOSFET的导通电阻Rds(on)会随着温度上升而增加。开关损耗则产生于MOSFET开通和关断时,此时MOSFET的漏源之间存在高电压和大电流。理论上可以采用软开关技术来降低开关损耗,这种技术在LLC开关电源中较为常见。
热阻(Rth)是评估MOSFET在运行时温度上升情况的一个重要参数。热阻分为热阻到壳体(Rjc)和热阻到环境(Rja)两种,通过它们可以估算MOSFET的内部结温。设计时需要保证在最高环境温度和最大负载条件下,MOSFET的结温低于规格书规定的值。在使用散热器的情况下,应重视热阻到壳体(Rjc),而在没有散热措施的情况下,应使用热阻到环境(Rja)进行估算。
实际应用中,需要考虑驱动电路的稳定性、成本、散热效率等因素,合理选择MOSFET及其驱动方案。
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