MOSFET 是主要用于開關應用的半導體元件，具有高電壓和高電流的特點。它們在高速下的更高效率和更高開關容量使它們成為電源設計的最佳選擇。讓我們看看一些標準，以幫助為電力電子項目選擇正確的 MOSFET（或 MOSFET）。

作為邏輯開關的行為參數

無論給定項目工作的邏輯（和模擬）級別如何，都有不同的閾值來確定設備的明確飽和或禁止。換句話說，這些值定義了高邏輯電平或低邏輯電平的精確操作。通常，在高低層之間，需要一個過渡區來保證兩個層之間的過渡不會太突然。該區域被定義為“非法”或“不確定”區域，如圖 1 所示。

圖 1：通用 MOSFET 的邏輯電平

觀察最小和最大柵源閾值電壓很重要，如下所示：

V GS(th) (min) 是低于 MOSFET 關斷的柵極電壓值。

V GS(th) (max) 是 MOSFET 開啟時的柵極電壓值。

通常，最小柵極電壓（對于 5V 正邏輯）介于 0.5V 和 1V 之間。高于最大閾值的電壓會導通 MOSFET。上最小值點和下最大值點之間的電壓可以打開或關閉 MOSFET。他們必須避免，因為它們代表了不確定性的領域和MOSFET的行為是無法預測的先驗. 因此，在設計新系統的邏輯之前，有必要研究每個器件的門的行為。在圖 2 中，您可以看到一個經典的電氣圖，它提供了一個由 96 V 電壓供電的 8Ω 負載。在這種情況下，MOSFET 作為電子開關工作，可以通過驅動“柵極”來激活合適的電源。對于 UnitedSiC UF3C065080T3S 型號，適用于“門”的電壓范圍介于 –25 V 和 25 V 之間。

圖 2：電子開關的總圖

現在讓我們看看 MOSFET 的導通行為如何，觀察流經負載 R1 的電流，具體取決于柵極電壓。相關曲線如圖 3 所示。對于 –25 V 和 5.8 V 之間的所有“柵極”電壓，該組件保持關閉狀態（開關打開）。從 6.4 V 到 25 V，MOSFET 的行為就像一個閉合的開關。

圖 3：通過改變 MOSFET 的“柵極”電壓，MOSFET 的工作方式也隨之改變。

MOSFET 的柵極電壓介于 5.8 V 和 6.4 V 之間（等效偏移為 600 mV），實際上可以在線性區域內工作。必須避免此間隔，因為該組件會散發大量熱功率，如圖 4 中的 SiC 功率圖所示。 M1（紅色曲線）的平均功率實際上耗散如下：

禁止期間：0 W

飽和期間：12.5 W

在不確定時期和線性狀態下：133.75 W，峰值為 288 W

電路的效率也很大程度上取決于這方面。

圖 4：必須避免在 MOSFET 的“柵極”上施加不確定電壓；否則，它的耗散會非常高。

R DS(ON)參數

R DS(ON) 的意思是“漏源間導通電阻”。MOSFET 通常用作功率晶體管的更好替代品，并用于大電流開關應用。如果該參數較低，則意味著根據歐姆定律，MOSFET 損失的能量較少，從而導致更高的能效并產生更少的熱量。因此，設計人員應選擇具有盡可能低的 R DS(ON)值的組件模型。在我們的示例中，當 MOSFET 導通時，R DS(ON)可以使用以下公式輕松計算：

R DS(ON) = V(漏極) / I(漏極)

從中：

[R DS（ON） = 1.00574 / 11.87428

根據組件數據表的官方規范，它返回等于 0.084 Ω (84 mΩ) 的值。

輸入 (C iss ) 和輸出 (C oss ) 電容參數

“柵極”、氧化層以及 MOSFET 主體上的相關連接實際上就像一個小電容器一樣工作。一旦“門”承受電壓，這個虛擬電容器就開始充電。充電需要時間，因此開啟狀態會有延遲。設計人員應選擇輸入電容盡可能低的 MOSFET 以避免長時間延遲。如果使用直接連接到 MCU 輸出引腳的 MOSFET，“柵極”應通過外部電阻器連接，以防止出現不需要的結果。關于所用的SiC模型，其電容參數如下：

輸入電容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 1,500 pF

輸出電容 (C iss )：在 VDS = 100 V、V GS = 0 V、F = 100 kHz — 104 pF

開關速度相關參數

MOSFET 特別適用于快速開關應用。頻率越高，變壓器必須越小，但傳輸的噪聲會增加。在任何情況下，將組件與開關速度聯系起來的一些基本參數如下：

開啟延遲時間 (tdon)：25 ns

上升時間 (tr)：14 ns

關斷延遲時間 (tdoff)：54 ns

下降時間 (tf)：11 ns

圖 5 中的圖表顯示了在兩個頻率下切換 MOSFET 的兩種不同行為。上圖參考了 1 MHz 的開關頻率，分別顯示了負載上的電流信號、柵極上的電壓和 PWM 發生器的電壓。如您所見，該組件在該頻率下的行為非常好。相反，下圖指的是頻率為 10 MHz 的方波信號。請注意，所有信號都高度失真，實際上 MOSFET 始終處于導通狀態。

圖 5：MOSFET 在不同速度下的不同開關行為

結論

檢查的參數只是那些必須選擇 MOSFET（或 MOSFETS）的人的一些參數。設計人員可以研究組件的其他相關特性，例如散熱和其他參數。使用 MOSFET 是一種非常有趣的體驗，它可以顯著提高電路的效率并擴展其操作的可能性。要觀察的其他操作參數包括反向恢復、ESD 保護、開關損耗、支持的最大電壓和電流等。此信息可在組件的官方數據表中找到。


審核編輯：劉清