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电子知识

选择合适的场效应晶体管,知道这六大诀窍就不用发愁了

作者:立深鑫电子        发布时间:06-05        点击:
摘要 : 选择好场效应晶体管器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道场效应晶体管。在典型的功率应用中,当一个场效应晶体管接地,而负载连接到干线电压上时,该场效应晶体管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道场效应晶体管,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。
一、场效应晶体管选择的重要性

随着电子产品更新换代的速度,我们对电子产品性能的要求也越来越高,在一些电子产品的电路设计与研发中,不光是开关电源电路中,还有在便携式电子产品的电路中都会用到场效应晶体管,所以正确选择场效应晶体管是硬件工程师经常遇到的难题之一,更是极其重要的一个环节,场效应晶体管的选择,有可能直接影响到整个电路的效率和成本,下面为方便电子工程师快速准确的选择场效应晶体管,可以从以下六大诀窍着手。

场效应晶体管

二、场效应晶体管选择的六大诀窍

1、沟道类型

选择好场效应晶体管器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道场效应晶体管。在典型的功率应用中,当一个场效应晶体管接地,而负载连接到干线电压上时,该场效应晶体管就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道场效应晶体管,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当场效应晶体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P沟道场效应晶体管,这也是出于对电压驱动的考虑。

2、额定电压

确定所需的额定电压,或者器件所能承受的最大电压。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压或总线电压。这样才能提供足够的保护,使场效应晶体管不会失效。

就选择场效应晶体管而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。知道场效应晶体管能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。我们须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)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20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC应用为450~600V。

3、额定电流

该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,确保所选的场效应晶体管能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,场效应晶体管处于稳态,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)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。

4、导通损耗

在实际情况下,场效应晶体管并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。场效应晶体管在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。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,因此功率耗损也会随之按比例变化。对场效应晶体管施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。

5、系统散热

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。在场效应晶体管的资料表上还有一些需要注意的测量数据;器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个式子可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。我们已将要通过器件的最大电流,可以计算出不同温度下的RDS(ON)。另外,还要做好电路板及其场效应晶体管的散热。

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。晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。因此选择更大的封装件可以有效防止雪崩。

6、开关性能

影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容。这些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。场效应晶体管的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,要计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。场效应晶体管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。