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      付出设计人员如何正确选用MOSFET
      来源: 日期: 2013-9-26 浏览次数: 3058

      MOSFET有两大项目:N沟道和P沟道。在功率系统中,MOSFET可把看成电气开关。顶在N沟道MOSFET的栅极和源极间加上正电压时,伊开关导通。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番内阻,称为导通电阻RDS(ON)。必须懂得MOSFET的栅极是个高阻抗端,因而,总是要在栅极加上一个电压。如果栅极为悬空,器件将不能按规划意图工作,并可能在不适当的时节导通或关闭,导致系统产生潜在的直径损耗。顶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。

      随着制造技术之前进和进化,系统设计人员必须跟上技术之前进步伐,才能为他设计挑选最恰当的电子器件。MOSFET是电气系统中的基本部件,工程师需要深入了解它的重中之重特性及指标才能做出科学选择。本文将讨论如何根据RDS(ON)、热性能、雪崩击穿电压及开关性能指标来选择正确的MOSFET。


      重在地:公用N沟道还是P沟道


      为设计选择正确器件的重大步是决定采取N沟道还是P沟道MOSFET。在榜首的直径应用中,顶一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就做成了低压侧开关。在低压侧开关中,应运用N沟道MOSFET,这是由于对关闭或导通器件所需电压的设想。顶MOSFET连片到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。一般说来会在这个拓扑中运用P沟道MOSFET,这也是由于对电压驱动的设想。


      要挑选适宜应用的器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在规划中最简单执行的办法。从一地是确认所需的预定电压,或者器件所能承担的最大电压。预定电压越大,器件的本金就越高。根据实践经验,预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维护,使MOSFET不会失效。就分选MOSFET说来,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。略知一二MOSFET能承担的最大电压会随温度而变化这点十分重大。规划人员必须在全路工作温度范围内测试电压的转变范围。预定电压必须有足够的销量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。规划工程师需要考虑的任何安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)启示的电压瞬变。不同应用的预定电压也有所不同;一般说来,分立式设备为20V、FPGA能源为20~30V、85~220VAC利用为450~600V。


      其次地:确认额定电流


      其次步是摘取MOSFET的预定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在整个情况下能够担当的最大电流。与电压的情形相似,规划人员必须确保所选的MOSFET能承担这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的核电情况是继续模式和脉冲尖峰。在继承导通模式下,MOSFET处于稳态,此刻电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有恢宏电涌(或尖峰电流)纵穿器件。一旦确定了那些标准下的最大电流,只需直接选择能承担这个最大电流的器件便可。


      选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在具体情况下,MOSFET并不是不错的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而明确变化。器件的直径耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,鉴于导通电阻随温度变化,因而功率耗损也会随之按比例变化。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求折中权衡的中央。对便携式设计来说,运用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于核工业设计,可采取较高的电压。瞩目RDS(ON)雷达会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)雷达的各族电气参数变化可在书商提供的艺术资料表中查到。


      艺术对器件的特征有着重要影响,因为有些技术在加强最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的艺术,如果打算降低VDS和RDS(ON),这就是说就得增加晶片尺寸,据此增加与之配套的包装尺寸及相关的开支基金。核电界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的艺术,其中重要的是沟道和电荷平衡技术。


      在沟道技术中,晶片中嵌入了一下深沟,一般说来是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了削减最大VDS对RDS(ON)的影响,付出过程中运用了外延生长柱/雕塑柱工艺。例如,飞兆半导体开发了称为SuperFET的艺术,针对RDS(ON)的下跌而增加了额外的制作步骤。这种对RDS(ON)的关爱十分重大,因为当标准MOSFET的冲击电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级增加,并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的席位数关系成为了线性关系。这样,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,贯彻优质的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减少达35%。而对于最终用户来说,这意味着封装尺寸的大幅减少。


      先后三地:确认热要求


      慎选MOSFET的副一地是计算系统之散热要求。规划人员必须考虑两种不同之情形,即最坏情况和实事求是状况。提议使用针对最坏情况之计量结果,因为这个结果提供更大的平安余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的史料表上还有一对需要注意的监测数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。


      器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的差数(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之最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。鉴于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因而可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在拍卖简单热模型时,规划人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/条件的热容量;即要求印刷电路板和包装不会立即升温。


      雪崩击穿是指半导体器件上的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,使器件的温度上升,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的安稳性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方式;一是价格法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到大面积使用。广大企业都有提供其器件测试的全貌,如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”(见http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9034.pdf#page=1)。除计算外,艺术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增长会提高抗雪崩能力,说到底提高器件的安稳性。对终极用户而言,这意味着要在系统中运用更大的包装件。


      先后四地:决定开关性能


      慎选MOSFET的终极一地是注定MOSFET的开关性能。影响开关性能的平均数有很多,但最重要的是栅极/漏极、两极/源极及漏极/源极电容。该署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,器件效率也下跌。为计算开关过程中器件的总损耗,规划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。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。


      基于开关性能的第一,新的技术正在不断开发以消灭这个开关问题。芯片尺寸的增长会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了削减开关损耗,新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生,意志减少栅极电荷。比方说,SuperFET这种新技术就可通过降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg),最大限度地减少传导损耗和增强开关性能。这样,MOSFET就能回报开关过程中的高速电压瞬变(dv/dt)和水电瞬变(di/dt),甚至可在更高的开关频率下可靠地劳作。

      总结


      穿越了解MOSFET的品种及了解和决定它们的重大性能特点,规划人员就能针对特定设计选择正确的MOSFET。鉴于MOSFET是电气系统中最核心的部件之一,慎选正确的MOSFET对任何设计是否成功起着关键的图。

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