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English场效应管的选型及应用概览,沟道场效应管,汽车、通信、能源、消费、绿色工业
场效应管的选型及应用概览</div>
场效应管广泛使用在模拟电路与数字电路中，和我们的生活密不可分。场效应管的优势在于：首先驱
动电路比较简单。场效应管需要的驱动电流比</div>
BJT
则小得多，而且通常可以直接由</div>
CMOS
或者集电极开路</div>
TTL
驱动电路驱动；其次场效应管的开关速度比较迅速，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应；
另外场效应管没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低，还</div>
可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。场效应管已经得到了大量应用，在消费电子、工业产品、机电</div>
设备、智能手机以及其他便携式数码电子产品中随处可见。</div>
近年来，随着汽车、通信、能源、消费、绿色工业等大量应用场效应管产品的行业在近几年来得到了</div>
快速的发展，功率场效应管更是备受关注。据预测，</div>
2010-2015
年中国功率</div>
MOSFET
市场的总体复合年度
增长率将达到
13.7%
。</div>
虽然市场研究公司
iSuppli
表示由于宏观的投资和经济政策和日本地震带来的晶圆
与原材料供应问题，今年的功率场效应管市场会放缓，但消费电子和数据处理的需求依然旺盛，因此长期
来看，功率场效应管的增长还是会持续一段相当长的时间。</div>
技术一直在进步，功率场效应管市场逐渐受到了新技术的挑战。例如，业内有不少公司已经开始研发</div>
GaN
功率器件，并且断言硅功率场效应管的性能可提升的空间已经非常有限。不过，
GaN
对功率场效应管</div>
市场的挑战还处于非常初期的阶段，场效应管在技术成熟度、供应量等方面仍然占据明显的优势，经过三
十多年的发展，场效应管市场也不会轻易被新技术迅速替代。</div>
五年甚至更长的时间内，场效应管仍会占据主导的位置。场效应管也仍将是众多刚入行的工程师都会
接触到的器件，本期内容将会从基础开始，探讨场效应管的一些基础知识，包括选型、关键参数的介绍、</div>
系统和散热的考虑等为大家做一些介绍。</div>
一
.
场效应管的基础选型
场效应管有两大类型：
N
沟道和</div>
P
沟道。在功率系统中，场效应管可被看成电气开关。当在</div>
N
沟道场</div>
效应管的栅极和源极间加上正电压时，其开关导通。导通时，电流可经开关从漏极流向源极。漏极和源极
之间存在一个内阻，称为导通电阻</div>
RDS(ON)
。必须清楚场效应管的栅极是个高阻抗端，因此，总是要在栅</div>
极加上一个电压。如果栅极为悬空，器件将不能按设计意图工作，并可能在不恰当的时刻导通或关闭，导
致系统产生潜在的功率损耗。当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</div>
器件已经关闭，但仍然有微小电流存在，这称之为漏电流，即</div>
IDSS
。</div>
作为电气系统中的基本部件，工程师如何根据参数做出正确选择呢？本文将讨论如何通过四步来选择
正确的场效应管。</div>
1
）沟道的选择。为设计选择正确器件的第一步是决定采用
N
沟道还是
P
沟道场效应管。在典型的功
率应用中，当一个场效应管接地，而负载连接到干线电压上时，该场效应管就构成了低压侧开关。在低压
侧开关中，应采用
N
沟道场效应管，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应管连接到总线
及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用</div>
P
沟道场效应管，这也是出于对电压驱动的
考虑。</p>
2
）电压和电流的选择。额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电</div>
压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使场效应管不会失效。就选择场效应管而言，必须确定漏极至
源极间可能承受的最大电压，即最大</div>
VDS
。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备</div>
(
如电
机或变压器</div>
)
诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，便携式设备为</div>
20V
、</div>
FPGA
电源为</div>
20
～</div>
30V
、</div>
85
～</div>
220VAC
应用为</div>
450
～</div>
600V
。</div>
在连续导通模式下，场效应管处于稳态，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</div>
)
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。</div>
3
）计算导通损耗。场效应管器件的功率耗损可由
Iload2
×
RDS(ON)
计算，由于导通电阻随温度变化，</div>
因此功率耗损也会随之按比例变化。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易</div>
(
较为普遍
)
，而对于工
业设计，可采用较高的电压。注意</div>
RDS(ON)
电阻会随着电流轻微上升。关于</div>
RDS(ON)
电阻的各种电气参数</div>
变化可在制造商提供的技术资料表中查到。</div>
需要提醒设计人员，一般来说</div>
MOS
管规格书标注的</div>
Id
电流是</div>
MOS
管芯片的最大常态电流，实际使</div>
用时的最大常态电流还要受封装的最大电流限制。因此客户设计产品时的最大使用电流设定要考虑封装的</div>
最大电流限制。建议客户设计产品时的最大使用电流设定更重要的是要考虑
MOS
管的内阻参数。</div>
4
）计算系统的散热要求。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</div>
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。在场效应管的资料表上</div>
还有一些需要注意的测量数据；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。</div>
开关损耗其实也是一个很重要的指标。从下图可以看到，导通瞬间的电压电流乘积相当大。一定程度</div>
上决定了器件的开关性能。不过，如果系统对开关性能要求比较高，可以选择栅极电荷
QG
比较小的功率
MOSFET
。</div>
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