【MOS管選型】MOSFET應用方案分析-KIA MOS管

MOSFET應用案例解析

1、開關電源應用

從定義上而言，這種應用需要MOSFET定期導通和關斷。同時，有數(shù)十種拓撲可用于開關電源，這里考慮一個簡單的例子。

DC-DC電源中常用的基本降壓轉換器依靠兩個MOSFET來執(zhí)行開關功能（下圖），這些開關交替在電感里存儲能量，然后把能量開釋給負載。

目前，設計人員經(jīng)常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，由于頻率越高，磁性元件可以更小更輕。開關電源中第二重要的MOSFET參數(shù)包括輸出電容、閾值電壓、柵極阻抗和雪崩能量。

2、電機控制應用

電機控制應用是功率MOSFET大有用武之地的另一個應用領域。典型的半橋式控制電路采用2個MOSFET（全橋式則采用4個），但這兩個MOSFET的關斷時間（死區(qū)時間）相等。對于這類應用，反向恢復時間（trr）非常重要。

在控制電感式負載（比如電機繞組）時，控制電路把橋式電路中的MOSFET切換到關斷狀態(tài)，此時橋式電路中的另一個開關經(jīng)過MOSFET中的體二極管臨時反向傳導電流。

于是，電流重新循環(huán)，繼續(xù)為電機供電。當?shù)谝粋€MOSFET再次導通時，另一個MOSFET二極管中存儲的電荷必須被移除，通過第一個MOSFET放電，而這是一種能量的損耗，故trr越短，這種損耗越小。

3、汽車應用

過去的近20年里，汽車用功率MOSFET已經(jīng)得到了長足發(fā)展。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220和TO247封裝。

同時，電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標配，在設計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

汽車設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動情況的場合，會使用60V裝置驅動負載；

當行業(yè)標準轉移至42V電池系統(tǒng)時，則需采用75V技術。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動機驅動器機組和高亮度放電（HID）前燈的控制電路。

汽車MOSFET驅動電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2mΩ至100mΩ。MOSFET的負載包括電機、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。

開關頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開關頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結點溫度極限下（-40度至175度，有時高達200度）的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

4、LED燈具的驅動

設計LED燈具的時候經(jīng)常要使用MOS管，對LED恒流驅動而言，一般使用NMOS.功率MOSFET和雙極型晶體管不同，它的柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值電壓（VGS-TH）時MOSFET才開始導通。

因此，設計時必須注意柵極驅動器負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容（CEI）的充電。

而MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系。使用者雖然無法降低Cin的值，但可以降低柵極驅動回路信號源內(nèi)阻Rs的值，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關速度一般IC驅動能力主要體現(xiàn)在這里，我們談選擇MOSFET是指外置MOSFET驅動恒流IC。

內(nèi)置MOSFET的IC當然不用我們再考慮了，一般大于1A電流會考慮外置MOSFET。為了獲得到更大、更靈活的LED功率能力，外置MOSFET是唯一的選擇方式，IC需要合適的驅動能力，MOSFET輸入電容是關鍵的參數(shù)。下圖Cgd和Cgs是MOSFET等效結電容。

一般IC的PWM OUT輸出內(nèi)部集成了限流電阻，具體數(shù)值大小同IC的峰值驅動輸出能力有關，可以近似認為R=Vcc/Ipeak.一般結合IC驅動能力Rg選擇在10-20Ω左右。

一般的應用中IC的驅動可以直接驅動MOSFET,但是考慮到通常驅動走線不是直線，感量可能會更大，并且為了防止外部干擾，還是要使用Rg驅動電阻進行抑制。考慮到走線分布電容的影響，這個電阻要盡量靠近MOSFET的柵極。

以上討論的是MOSFET ON狀態(tài)時電阻的選擇，在MOSFET OFF狀態(tài)時為了保證柵極電荷快速瀉放，此時阻值要盡量小。通常為了保證快速瀉放，在Rg上可以并聯(lián)一個二極管。

當瀉放電阻過小，由于走線電感的原因也會引起諧振（因此有些應用中也會在這個二極管上串一個小電阻），但是由于二極管的反向電流不導通，此時Rg又參與反向諧振回路，因此可以抑制反向諧振的尖峰。

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