【电源设计】10功率MOSFET在开关电源中的应用

学习《精通开关电源设计》第一章 ηP0PINηPIN​P0​​其中POP_OPO​P0V0×I0P0​V0​×I0​其中PIP_IPI​PINVIN×IINPIN​VIN​×IIN​理想状态下开关电源的转换效率为100%,但是实际上不可能达到这么高,现代开关电源的效率一般是65%~95% 阅读详情

0.前言

本章主要介绍MOSFET相关知识以及其在电源电路中的应用选型。
本文同时作为《【元器件】7.MOSFET》章节。

1.MOSFET概述

  • MOSFET的原意是:MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管。
  • 是一种广泛应用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。通常分为PMOS、NMOS.
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多数具有以下特点:

  • 多用N沟道(增强型)
  • 双扩散工艺
  • 单极性器件
  • 多元胞并联
  • 很薄的SiO2层

MOSFET主要特点:

  • 单极性器件,多子导电;
  • 开关速度快;
  • Rdson具有正温度系数,容易并联
  • 电压控制型器件,驱动容易,驱动损耗小;
  • 沟道双向导电;
  • 无电流集中效应,安全工作范围宽
  • 应用场合
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2.MOSFET常用种类及封装

2.1按MOSFET沟道分类

  • 按场效应管原始沟道分:
    N沟道
    P沟道
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  • 结型管和绝缘栅型管,绝缘栅型又分增强型和耗尽型
  • N沟道:
    增强型(无原始沟道)
    L耗尽型(有原始沟道)
  • P沟道:
    增强型(无原始沟道)
    L耗尽型(有原始沟道)
  • 业界应用最为广泛的是增强型的N沟道,其次是增强型的P沟道;结型管和耗尽型几乎不用。

2.2按MOSFET栅结构分类

  • 平面栅优点:单元的一致性好,跨导特性比较好,雪崩能量比较高;

  • 沟槽栅优点:单元面积较小,电流密度较大,通态损耗降低约30%,击穿电压高。

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2.3按MOSFETnep结构分类

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2.4MOSFET常用封装

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以上大多用在大功率场合,其封装一个或多个MOSFET,结构如下:
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  • 以上大多用在低压大电流场合。
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  • 以上插装封装一般应用于高电压场合。

3.MOSFET器件手册关键参数解读

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4.MOSFET器件选型应用

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  • Q1:用作PFC电路,一般母线电压400V,故选择600V或650V耐压,再根据功率限制合适的NMOS,另外根据栅极PFC的导通频率和功率大小,也要对栅极电荷Qg和导通电阻Rdson进行折中选择。
  • Q2、Q3:用作LLC电路,同样母线电压400V,故选择600V或650V耐压,其他要点较多,如下:

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  • 解决方案:
  • 选择具有较小输出电容Coss的MOSFET;
  • 选择合适的死区时间;
  • 启动时增加开关频率
  • 选择具有快恢复体二极管的MOSFET;
  • 采用分裂电容和钳位二极管
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  • 其他注意事项:
  • 降额设计使用
  • 驱动设计
  • 并联使用
  • 温度条件对电气参数的影响
  • 生产加工过程中的要点(ESD防护与机械应力)

5.MOSFET失效分析

主要目的是解决器件失效问题,找到失效原因;弄清失效机理,从两个纬度展开寻找失效原因:

  • A、器件周围的应用问题
    1)设计因素:过电应力;散热不足;容差偏小
    2)加工、测试、装配因素(ESD、机械损伤、过压击穿等)
  • B、器件自身的来料缺陷
    3)来料因素(批次问题、个别不良)

失效分析方法:

  • 信息收集
  • 外观检查
  • 电性能测试
  • X-RAY透视
  • 芯片解剖分析
  • 结合失效工况分析
  • 应用中电应力测试Vgs、Vds、ld、Tc
  • 来料测试
  • 加工跟踪

6.新器件技术发展与应用

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参考链接: 抛开书本重新认识MOS管

开关电源拓扑结构详解 开关电源拓扑结构详解 本文系统介绍了开关电源的各类拓扑结构及其工作原理。 阅读详情

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