实用MOSFET的类别、选型及应用指南的介绍

MOSFET是场效应管的一种，属于绝缘栅型场效应晶体管，全称为金属-氧化物半导体场效应晶体管。如图1为MOSFET的结构图，是利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通源极和漏极。

图 1 MOS的一般结构

MOSFET可以被制造成增强型（当栅极端子两端没有电压时，该器件将不导通）或耗尽型（当栅极端子两端没有电压时，通道将显示其最大电导），实际应用的一般是增强型的N沟道或P沟道MOS。这两种之中如何选择我们将在后文中讲到。所以，制造出来的增强型 MOS，由于衬底的不同分为 N 型（具 有位于源极和漏极端子之间的 N 沟道区域，衬底为 P 型）和 P 型如 图 2 为 N 沟道 MOS 的结构图。在栅极施加具有正电压时，则存在于氧化层下方的空穴将被向下推入基板。

图 2

在电子到达时，形成通道。正 电压还将电子从 n +源极和漏极区吸引到沟道中。此时在漏极和源极 之间施加电压，电流将在源极和漏极之间自由流动，而栅极电压控制 着沟道中的电子。在 NMOS 中，Vgs 大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时 的情况(低端驱动)，比如只要栅极电压达到 4V 或 10V 就可以了。在 PMOS 中，Vgs（电压）小于一定的值就会导通，适合用于源极接 VCC 时的情况(高端驱动)。

不管是 NMOS 还是 PMOS，由于存在的工作状态属于工作在截止区、饱和区、线性区 （欧姆区），所以导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分 消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的 MOS 管会减小导通损耗。由此可见，MOS 具有相当于开关的作用。

MOS在导通和截止的时候，不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

所以，总结起来MOSFET具有以下特点：开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、工作频率高（可到Mhz）。同时电流容量小、耐压低、驱动功率小，是属于电压控制型的单极型自关断器件，典型应用是开关电源。在开关电源中，如漏极开路电路，漏极原封不动地接负载，叫开路漏极，开路漏极电路中不管负载接多高的电压，都能够接通和关断负载电流，是理想的模拟开关器件。

MOSFET 有两个作用：开关和隔离。需要MOS来完成作为隔离器件这个作用时，即是将其看作一个二极管，需要的是单向导电性。当需要MOS导通时，在控制端加合适的电压，可以使MOS饱和导通，优点是几乎不产生压降；

图 3 MOS的应用领域

由于MOSFET的特点，决定了在工作频率高于其他功率器件时（目前大概定为70KHZ），MOS成为了唯一的选择，比如变频器、音频设备。此外，由于MOS输出功率小和较低的开关损耗，在10KHZ-100KHZ之间的低功率领域（5KW）MOS也可作为主流功率器件，比如电磁炉、液晶电视板卡等(如图3)。MOS多作为开关器件，追求高频与低功耗，因此N沟道增强型是较优选择，而PMOS多作为开关电路中的高侧开关使用。MOS的应用选择比较考验工程师对于设计裕量的考虑，侧面反应工程师对于项目的整体把握。可以把MOSFET选型分成四个步骤。 

1.选用N沟道还是P沟道

即高侧开关还是低侧开关的考虑。在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，出于对关闭或导通器件所需电压的考虑（MOSFET接地，负载连接到干线电压上时，构成低压侧开关），如图。高压侧开关中采用P沟道MOSFET，出于对电压驱动的考虑（MOSFET连接到总线，负载接地，构成高压侧开关。这一步之后需要确定的是额定电压Vds，应当大于干线电压或总线电压。其余在后文中需要关注的MOS关键数据会提到。

考虑最坏情况和真实情况下封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。 结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散]。考虑雪崩击穿，即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。该电流将耗散功率，使器件的温度升高，而且有可能损坏器件。栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大，此外考虑栅极/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。MOSFET 的开关速度因此被降低，器件效率也下降。MOSFET 开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(开通损耗+关断损耗)

综上所述，在将 MOS 作为开关时的实际应用中，选择合适的 MOS 需要考虑以下参数：漏源电压 Vds（耐压）、Vgs、IDss、IGss、RDS(on) 导通电阻、结电容、品质因数 FOM=Ron  * Qg 等。

1.Vds 和Vgs 。确定MOSFET的首要特性是其漏源电压Vds，或“漏源击穿电压”，这是在栅极短路到源极，漏极电流在定值情况下，MOSFET所能承受的保证不损坏的最高电压。Vds也被称为“25℃下的绝对最高电压”，同时，这个绝对最高电压与温度有关，具体参考数据手册“Vds温度系数”；另外，最高Vds是直流电压加上可能在电路里存在的任何电压尖峰和纹波。在导通过程中栅源电压Vgs，即在给定的最大RDS(on)条件下，能够确保MOSFET完全导通的电压。

2.导通电阻RDS(on)，MOSFET的导通电阻RDS(on)是在一个或多个栅源电压条件下确定的。最大RDS(on)限值可以比典型数值高20%～50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃结温下的数值，而在更高的温度下，RDS(on)可以增加30%～150%。导通电阻对N沟道和P沟道MOSFET都是十分重要的。

3.栅极电荷Qg，在开关电源中，Qg是用在开关电源里的N沟道MOSFET的关键选择标准，因为Qg会影响开关损耗。这些损耗有两个方面影响：一个是影响MOSFET导通和关闭的转换时间；另一个是每次开关过程中对栅极电容充电所需的能量。Qg取决于栅源电压，使用更低的Vgs可以减少开关损耗。 （如果系统对开关性能要求比较高，同时希望又有很小的损耗，可以选择栅极电荷QG比较小的功率MOSFET，如超结MOS）

4.品质因数FOM，FOM=RDS(on) xQg。FOM总结了器件的性能，可以用典型值或最大值来比较MOSFET。要保证在器件中进行准确的比较，但是需要确定用于RDS(on) 和Qg的是相同的Vgs。较低的FOM能在开关应用里获得更好的性能。

5.额定电流和功率损耗，IDss：漏极与源极之间的漏电流；IGss：栅极与源极之间的漏电流；功率损耗取决于温度和导通时间，包括开通损耗、导通损耗、关断损耗、截止损耗、门级损耗、输出电容损耗（此损耗一般在开关频率较高、硬开关工作时的幅值较高）。其中后三个在总的损耗中占的比重很小，设计时不用重点考虑；由于电路拓扑、软开关技术、负载、开关频率的不同，开通损耗、关断损耗在总损耗中占的比重不同，需要另外考虑。

6.封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温，考虑散热时，不同使用场景考虑方式不同。对于用在手持设备里的小型表面贴装器件，关联度最高的电流等级可能是在70℃环境温度下的电流，对于有散热片和强制风冷的大型设备，在TA = 25℃下的电流等级可能更接近实际情况。要选择合适的MOS，需要了解MOS类型。目前，市面上的主流功率MOSFET类型主要包括：由于技术变化形成的内部结构不同的Planar、Trench、Lateral、SuperJunction、Advanced Trench以及由于材料迭代形成的半导体材料改变的SiC、GaN，它们的主要特点及应用领域如下图。

图 5 MOS的主要分类和适用领域

其中，SiC和GaN 属于高端MOS，我们将在下期的文章中讲到。表中Planar和Trench属于VDMOS（垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管），Lateral属于LDMOS（横向双扩散金属氧化物半导体场效应管）。本次将以消费电子中应用较为广泛的VDMOS为主。比如SJ-MOS在照明行业中的应用。为了克服传统MOS导通电阻与击穿电压之间的矛盾，一些人在VDMOS基础上提出了一种新型的理想器件结构，称为超结器件或SJ-MOS，他们的结构如图6和图7所示，其由一些列的P型和N型半导体薄层交替排列组成。在截止态时，由于P型和N型层中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使P型和N型层的掺杂浓度可以做的很高而不会引起器件击穿电压的下降。导通时，这种高浓度的掺杂可以使其导通电阻显著下降，大约有两个数量级。因为这种特殊的结构，使得SJ-MOS的性能优于传统的VDMOS。

图6 VDMOS结构

图 6 SJ-MOS结构

SJ-MOS的具有以下优点：1、Rdson远低于VDMOS，通态损耗小。2、同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。3、导通损耗低，从而降低了电源类产品的损耗。同时因为这些损耗都是以热量的形式散发出去，所以减小了散热器的体积，有效的提高了系统电源类产品的功率密度。4、栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低。5、结电容小，开关速度加快，开关损耗小。

LED照明属于发热量较大、损耗较大的应用，所以，SJ-MOS应用于LED照明行业再适合不过，可以使得整体热损耗减小，降低因散热问题带来的负担，尽量少的避免损害LED的发光效果，同时在MOS过热时自动关断电路达到保护LED灯具的目的，避免减少LED的使用寿命。此外，也可以节省生产成本。

但是，结合前文中提到的在应用中应考虑的各个参数，又因相较于VDMOS，其实SJ-MOS也有其缺点，比如对于高频开关电源来说由于较小的寄生电容带来的较快的开关性能，SJ-MOS的EMI可能超标并引起栅极震荡，同时漏源极电压尖峰比较大，以及由于结构原因导致的抗浪涌及耐压能力差，都需要工程师在设计时预留足够的余量使得设计较为可靠。

美浦森的SJ-MOS除了应用于LED照明领域，还具有较多的应用于场景，比如开关电源、适配器、充电器、TV电源等。根据前文提到的选择注意事项，根据选择标准，美浦森下表可做参考选择。

美浦森具有POWER VDMOS、SJ-MOS、SiC MOS，Si VDMOS主要用于逆变器、镇流器、开关电源、PC电源、手机充电器电源（包括不得不提的快充类型）；SiC MOS这样的高级器件，具有低导通电阻、低开关损耗、高开关频率、高工作结温的特点，在汽车电子中比如汽车中控、行车记录仪应用广泛，尤其汽车仪表盘中更是必不可少。等在下期的文章中，我们将从开关电源、工业照明、汽车电子三个方面继续介绍Maplesemi的其他产品特性和应用。

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