MOSFET的选型及应用概览.docx
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MOSFET的选型及应用概览
MOSFET的选型及应用概览
MOSFET的选型基础
MOSFET在开关电源中的应用
MOSFET在马达控制中的应用
MOSFET在汽车中的应用
MOSFET在LED灯具中的驱动
MOSFET的选型基础
MOSFET有两大类型:
N沟道和P沟道。
在功率系统中,MOSFET可被看成电气开关。
当在N沟道MOSFET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RDS(ON)。
必须清楚MOSFET的栅极是个高阻抗端,因此,总是要在栅极加上一个电压。
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。
虽然这时器件已经关闭,但仍然有微小电流存在,这称之为漏电流,即IDSS。
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MOSFET。
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MOSFET。
在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。
在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。
当MOSFET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MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。
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压或总线电压。
这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。
就选择MOSFET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。
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(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。
在连续导通模式下,MOSFET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。
3)计算导通损耗。
MOSFET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。
对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。
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。
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MOSFET的资料表上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。
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。
更多有关MOSFET选型的信息:
MOSFET驱动电路的选择
根据应用恰当选择MOSFET的技巧
MOSFET及MOSFET驱动电路总结
MOSFET应用案例解析
1.开关电源应用
从定义上而言,这种应用需要MOSFET定期导通和关断。
同时,有数十种拓扑可用于开关电源,这里考虑一个简单的例子。
DC-DC电源中常用的基本降压转换器依靠两个MOSFET来执行开关功能(下图),这些开关交替在电感里存储能量,然后把能量开释给负载。
目前,设计职员经常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率,由于频率越高,磁性元件可以更小更轻。
开关电源中第二重要的MOSFET参数包括输出电容、阈值电压、栅极阻抗和雪崩能量。
2.马达控制应用
马达控制应用是功率MOSFET大有用武之地的另一个应用领域。
典型的半桥式控制电路采用2个MOSFET(全桥式则采用4个),但这两个MOSFET的关断时间(死区时间)相等。
对于这类应用,反向恢复时间(trr)非常重要。
在控制电感式负载(比如马达绕组)时,控制电路把桥式电路中的MOSFET切换到关断状态,此时桥式电路中的另一个开关经过MOSFET中的体二极管临时反向传导电流。
于是,电流重新循环,继续为马达供电。
当第一个MOSFET再次导通时,另一个MOSFET二极管中存储的电荷必须被移除,通过第一个MOSFET放电,而这是一种能量的损耗,故trr越短,这种损耗越小。
3.汽车应用
过去的近20年里,汽车用功率MOSFET已经得到了长足发展。
选用功率MOSFET是因为其能够耐受汽车电子系统中常遇到的掉载和系统能量突变等引起的瞬态高压现象,且其封装简单,主要采用TO220和TO247封装。
同时,电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等应用已逐渐成为大多数汽车的标配,在设计中需要类似的功率器件。
在这期间,随着电机、螺线管和燃油喷射器日益普及,车用功率MOSFET也不断发展壮大。
汽车设备中所用的MOSFET器件涉及广泛的电压、电流和导通电阻范围。
电机控制设备桥接配置会使用30V和40V击穿电压型号;而在必须控制负载突卸和突升启动情况的场合,会使用60V装置驱动负载;当行业标准转移至42V电池系统时,则需采用75V技术。
高辅助电压的设备需要使用100V至150V型款;至于400V以上的MOSFET器件则应用于发动机驱动器机组和高亮度放电(HID)前灯的控制电路。
汽车MOSFET驱动电流的范围由2A至100A以上,导通电阻的范围为2mΩ至100mΩ。
MOSFET的负载包括电机、阀门、灯、加热部件、电容性压电组件和DC/DC电源。
开关频率的范围通常为10kHz至100kHz,必须注意的是,电机控制不适用开关频率在20kHz以上。
其它的主要需求是UIS性能,结点温度极限下(-40度至175度,有时高达200度)的工作状况,以及超越汽车使用寿命的高可靠性。
4.LED灯具的驱动。
设计LED灯具的时候经常要使用MOS管,对LED恒流驱动而言,一般使用NMOS。
功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超过阈值电压(VGS-TH)时MOSFET才开始导通。
因此,设计时必须注意栅极驱动器负载能力必须足够大,以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容(CEI)的充电。
而MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系。
使用者虽然无法降低Cin的值,但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度一般IC驱动能力主要体现在这里,我们谈选择MOSFET是指外置MOSFET驱动恒流IC。
内置MOSFET的IC当然不用我们再考虑了,一般大于1A电流会考虑外置MOSFET.为了获得到更大、更灵活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的选择方式,IC需要合适的驱动能力,MOSFET输入电容是关键的参数。
下图Cgd和Cgs是MOSFET等效结电容。
一般IC的PWMOUT输出内部集成了限流电阻,具体数值大小同IC的峰值驱动输出能力有关,可以近似认为R=Vcc/Ipeak.一般结合IC驱动能力Rg选择在10-20Ω左右。
一般的应用中IC的驱动可以直接驱动MOSFET,但是考虑到通常驱动走线不是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用Rg驱动电阻进行抑制.考虑到走线分布电容的影响,这个电阻要尽量靠近MOSFET的栅极。
以上讨论的是MOSFETON状态时电阻的选择,在MOSFETOFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放,此时阻值要尽量小。
通常为了保证快速泻放,在Rg上可以并联一个二极管。
当泻放电阻过小,由于走线电感的原因也会引起谐振(因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻),但是由于二极管的反向电流不导通,此时Rg又参与反向谐振回路,因此可以抑制反向谐振的尖峰。
估算导通损耗、输出的要求和结区温度的时候,就可以参考前文所指出的方法。
MOSFET的应用领域非常广泛,远非一两篇文章可以概括。
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典型功率MOSFET驱动保护电路设计方案
摘要:
率场效应晶体管由于具有诸多优点而得到广泛的应用;但它承受短时过载的能力较弱,使其应用受到一定的限制。
分析了MOSFET器件驱动与保护电路的设计要求;计算了MOSFET驱动器的功耗及MOSFET驱动器与MOSFET的匹配;设计了基于IR2130驱动模块的MOSFET驱动保护电路。
该电路具有结构简单,实用性强,响应速度快等特点。
在驱动无刷直流电机的应用中证明,该电路驱动能力及保护功能效果良好。
功率场效应晶体管(PowerMOSFET)是一种多数载流子导电的单极型电压控制器件,具有开关速度快、高频性能好、输入阻抗高、噪声小、驱动功率小、动态范围大、无二次击穿现象和安全工作区域(SOA)宽等优点,因此,在高性能的开关电源、斩波电源及电机控制的各种交流变频电源中获得越来越多的应用。
但相比于绝缘栅双极型晶体管IGBT或大功率双极型晶体管GTR等,MOSFET管具有较弱的承受短时过载能力,因而其实际使用受到一定的限制。
如何设计出可靠和合理的驱动与保护电路,对于充分发挥MOSFET功率管的优点,起着至关重要的作用,也是有效利用MOSFET管的前提和关键。
文中用IR2130驱动模块为核心,设计了功率MOSFET驱动保护电路应用与无刷直流电机控制系统中,同时也阐述了本电路各个部分的设计要求。
该设计使系统功率驱动部分的可靠性大大的提高。
1功率MOSFET保护电路设计
功率场效应管自身拥有众多优点,但是MOSFET管具有较脆弱的承受短时过载能力,特别是在高频的应用场合,所以在应用功率MOSFET对必须为其设计合理的保护电路来提高器件的可靠性。
功率MOSFET保护电路主要有以下几个方面:
1)防止栅极di/dt过高:
由于采用驱动芯片,其输出阻抗较低,直接驱动功率管会引起驱动的功率管快速的开通和关断,有可能造成功率管漏源极间的电压震荡,或者有可能造成功率管遭受过高的di/dt而引起误导通。
为避免上述现象的发生,通常在MOS驱动器的输出与MOS管的栅极之间串联一个电阻,电阻的大小一般选取几十欧姆。
2)防止栅源极间过电压由于栅极与源极的阻抗很高,漏极与源极间的电压突变会通过极间电容耦合到栅极而产生相当高的栅源尖峰电压,此电压会使很薄的栅源氧化层击穿,同时栅极很容易积累电荷也会使栅源氧化层击穿,所以要在MOS管栅极并联稳压管以限制栅极电压在稳压管稳压值以下,保护MOS管不被击穿,MOS管栅极并联电阻是为了释放栅极电荷,不让电荷积累。
3)防护漏源极之间过电压虽然漏源击穿电压VDS一般都很大,但如果漏源极不加保护电路,同样有可能因为器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压,进而损坏MOS管,功率管开关速度越快,产生的过电压也就越高。
为了防止器件损坏,通常采用齐纳二极管钳位和RC缓冲电路等保护措施。
当电流过大或者发生短路时,功率MOSFET漏极与源极之间的电流会迅速增加并超过额定值,必须在过流极限值所规定的时间内关断功率MOSFET,否则器件将被烧坏,因此在主回路增加电流采样保护电路,当电流到达一定值,通过保护电路关闭驱动电路来保护MOSFET管。
图1是MOSFET管的保护电路,由此可以清楚的看出保护电路的功能。
图1功率管的保护电路2功率MOSFET驱动电路的设计
功率场效应晶体管的栅极对驱动电路的要求主要有以下几个方面:
1)产生的栅极驱动脉冲必须具有足够的上升和下降速度,脉冲的前后沿要陡峭:
2)开通时以低电阻对栅极电容充电,关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路,以提高功率MOSFET的开关速度;
3)为了使功率MOSFET可靠导通,栅极驱动脉冲应有足够的幅度和宽度;
4)功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流,为了使开关波形有足够的上升下降陡度,驱动电流要大。
MOSFET驱动器在驱动MOSFET功率管的功耗主要包括3个方面:
1)MOSFET栅极电容的充电放电产生的功耗为:
Pc=CG×F×V2DD
(1)
其中:
CG为MOSFET栅极电容;VDD为MOSFET驱动器电源电压;F为开关频率。
2)MOSFET驱动器吸收静态电流产生的功耗为:
PQ=(IQH×D+IQL(1-D))×VDD
(2)
其中:
IQH为驱动器输入为高电平状态的静态电流;D为开关波形的占空比;IQL为驱动器输入为低电平状态的静态电流。
3)MOSFET驱动器交越导通电流产生的功耗为:
PS=CC×F×VDD(3)
其中:
CC为交越常数。
从上述公式可以推导出,在3部分功耗中其中栅极电容充放电功耗在MOSFET驱动器功耗中占的比例最高,特别是在很低的开关频率时。
同时根据公式减小栅极驱动电压可以显著减少驱动器的功耗。
在应用中使MOS管驱动器与MOS管匹配主要是根据功率MOS管导通和截止的速度快慢即栅极电压的上升和下降时间,也即是MOS管栅极电容的充放电速度。
MOS管栅极电容导通与截止的时间与MOS管驱动器的驱动电流的关系可以表示为:
T=(VxC)/I(4)
其中:
T表示导通与截止时间,V表示MOS管栅极源极两端的电压,C表示栅极电容,I表示驱动器峰值驱动电流。
根据栅极电压与栅极电容的乘积为栅极电荷Q则上式可转化为T=Q/I.本设计中功率MOSFET采用IR公司的IRF3710S功率MOSFET芯片,从其datasheet可以得到MOSFET的栅极电荷为26nC,导通/截止时间为106ns,可以得到峰值驱动电流为,驱动电压为12V,本设计驱动芯片采用IR公司的IR2130驱动模块,该芯片可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件,其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA,输出驱动电压为10~20V而反向峰值驱动电流为500mA.它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络,使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管,加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统,它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2μs互锁延时时间。
它自身工作和电源电压的范围较宽(3~20V),在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器,电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用,亦可只用其内部的3个低压侧驱动器,并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。
IR2130管脚如图2所示。
图2IR2130管脚
图2中HIN1~HIN3、LIN1~LIN3:
逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端,低电平有效。
CA-、CAO、VSO:
内部放大器的反相端、输出端和同相端,可对主电路的电流进行检测。
ITRIP:
过流信号检测输入端,可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。
FAULT:
过流、直通短路、
过压、欠压保护输出端,该端提供一个故障保护的指示信号。
它在芯片内部是漏极开路输出端,低电平有效。
VB1~VB3:
是悬浮电源连接端,通过自举电容和快速恢复二极管为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源,其中快速恢复二极管的作用是防止母线电压倒流损坏器件,VS1~VS3是其对应的悬浮电源地端。
HO1~HO3、LO1~LO3:
逆变器上下桥臂功率开关器件驱动器信号输出端。
在实际应用中,IR2130的设计也有一些不合理之处,在使用中应特别注意。
1)IR2130的故障输出只有一个通道,在实际应用中很难判断是过流还是欠压故障,特别是在上电过程中,控制电源必然从0上升至某值,在此过程中,IR2130的故障输出端因内部欠压而动作,将此信号作为过电流信号去触发前级保护电路时,如果前级保护电路具有自锁功能,可能使电路无法起动。
2)由于IR2130的电流检测输入端直接与主电路连接,很容易引入干扰而使系统停机或出现异常,因此,电流检测电阻应采用无感电阻。
3)由于IR2130采用了不隔离的驱动方式,若主电路功率器件损坏,高压将直接串入IR2130,引起IR2130永久性损坏,严重时还会将IR2130前级电路击穿。
4)当IR2130的输入信号来自微处理器时必须采取隔离措施,由于IR2130具有高侧驱动功能,因此可使用普通光耦,以降低成本。
3应用实例
永磁无刷直流电机是随着高性能永磁材料、电机控制技术和电力电子技术发展而出现的一种新型电机,它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便、寿命长等优点,又具备直流电机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多优点,且还具有功率密度高,低转速,大转矩的特点。
它的应用已从最初的军事工业,向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化等领域迅速发展。
图3是由IR2130组成的无刷直流电机驱动原理图为便于表示只画出其中一个桥臂的电路示意图,通过IR2130输入信号控制MOSFET的开关,由此驱动无刷直流动机。
C1是自举电容,为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量,D1的作用是防止上桥臂导通时母线电压倒流到IR2130的电源上而使器件损坏,因此D1应有足够的反向耐压,当然D1与C1串联也是为了满足主电路功率开关频率的要求,D1应选快速恢复二极管。
R1、R2、R10、R11、R12、C4组成过流检测电路。
R5、R6为栅极驱动电阻,D4、D5为功率管提供了一个低阻抗的放电回路,使功率管能够快速的泄放电荷。
图3无刷直流电机驱动原理图
功率场效应管的栅极与源极之间并联了一个电阻和一个齐纳二极管,电阻的作用是降低栅极与源极间的阻抗,齐纳二极管的作用是防止栅极与源极间尖端电压击穿功率管。
同时在功率场效应管的漏极与源极之间并联了一个RC电路和齐纳二极管,由于器件开关瞬间电流的突变而产生漏极尖峰电压,所以必须加上RC缓冲电路和齐纳二极管对其进行保护。
在实际应用中栅极的驱动波形如图4所示,此波形是在电机3000RPM时的驱动波形,可以看出此波形完全能够满足要求,同时进行了短路、电机堵转等试验,图3电路也能过很好地保护功率MOSFET管。
图4栅极驱动波形
4结束语
功率MOSFET驱动保护电路的设计可直接决定系统对执行机构的驱动品质。
文中针对具体的微电机驱动保护系统,有针对性地功率驱动保护电路进行计算分析与设计。
实验证明该电路设计简单可靠,驱动与保护效果良好,完全可以满足控制系统对执行机构的驱动要求。
功率MOSFET的锂电池保护电路设计铅酸电池具有安全、便宜、易维护的特点,因此目前仍然广泛的应用于电动自行车。
但是铅酸电池污染大、笨重、循环次数少,随着世界各国对环保要求越来越高,铅酸电池的使用会越来越受到限制。
磷酸铁锂电池作为一种新型的环保电池,开始逐步的应用到电动车中,并且将成为发展趋势。
通常,由于磷酸铁锂电池的特性,在应用中需要对其充放电过程进行保护,以免过充过放或过热,以保证电池安全的工作。
短路保护是放电过程中一种极端恶劣的工作条件,本文将介绍功率MOSFET在这种工作状态的特点,以及如何选取功率MOSFET型号和设计合适的驱动电路。
电路结构及应用特点
电动自行车的磷酸铁锂电池保护板的放电电路的简化模型如图1所示。
Q1为放电管,使用N沟道增强型MOSFET,实际的工作中,根据不同的应用,会使用多个功率MOSFET并联工作,以减小导通电阻,增强散热性能。
RS为电池等效内阻,LP为电池引线电感。
图1:
锂电池放电拓扑
正常工作时,控制信号控制MOSFET打开,电池组的端子P+和P-输出电压,供负载使用。
此时,功率MOSFET一直处于导通状态,功率损耗只有导通损耗,没有开关损耗,功率MOSFET的总的功率损耗并不高,温升小,因此功率MOSFET可以安全工作。
但是,当负载发生短路时,由于回路电阻很小,电池的放电能力很强,所以短路电流从正常工作的几十安培突然增加到几百安培,在这种情况下,功率MOSFET容易损坏。
磷酸铁锂电池短路保护的难点
(1)短路电流大
在电动车中,磷酸铁锂电池的电压一般为36V或48V,短路电流随电池的容量、内阻、线路的寄生电感、短路时的接触电阻变化而变化,通常为几百甚至上千安培。
(2)短路保护时间不能太短
在应用过程中,为了防止瞬态的过载使短路保护电路误动作,因此,短路保护电路具有一定的延时。
而且,由于电流检测电阻的误差、电流检测信号和系统响应的延时,通常,根据不同的应用,将短路保护时间设置在200μS至1000μS,这要求功率MOSFET在高的短路电流下,能够在此时间内安全的工作,这也提高了系统的设计难度。
短路保护
当短路保护工作时,功率MOSFET一般经过三个工作阶段:
完全导通、关断、雪崩,如图2所示,其中VGS为MOSFET驱动电压,VDS为MOSFET漏极电压,ISC为短路电流,图2(b)为图2(a)中关断期间的放大图。
图2:
短路过程。
(a)完全导通阶段;(b)关断和雪崩阶段。
(1)完全导通阶段
如图2(a)所示,短路刚发生时,MOSFET处于完全导通状态,电流迅速上升至最大电流,在这个过程,功率MOSFET承受的功耗为PON=ISC2*RDS(on),所以具有较小RDS(on)的MOSFET功耗较低。
功率MOSFET的跨导Gfs也会影响功率MOSFET的导通损耗。
当MOSFET的Gfs较小且短路电流很大时,MOSFET将工作在饱和区,其饱和导通压降很大,如图3所示,MOSFET的VDS(ON)在短路时达到14.8V,MOSFET功耗会很大,从而导致MOSFET因过功耗而失效。
如果MOSFET没有工作在饱和区,则其导通压降应该只有几伏,如图2(a)中的VDS所示。
图3:
低跨导MOSFET的导通阶段
(2)关断阶段
如图2(b)所示,保护电路工作后,开始将MOSFET关断,在关断过程中MOSFET消耗的功率为POFF=V*I,由于关断时电压和电流都很高,所以功率很大,通常会达到几千瓦以上,因此MOSFET很容易因瞬间过功率而损坏。
同时,MOSFET在关断期间处于饱和区,容易发生各单元间的热不平衡从而导致MOSFET提前失效。
提高关断的速度,可以减小关断损耗,但这会产生另外的问题。
MOSFET的等效电路如图4所示,其包含了一个寄生的三极管。
在MOSFET短路期间,电流全部通过MOSFET沟道流过,当MOSFET快速关断时,其部分电流会经过Rb流过,从而增加三极管的基极电压,使寄生三极管导通,MOSFET提前失效。
因此,要选取合适的关断速度。
由于不同MOSFET承受的关断速率不同,需要通过实际的测试来设置合适的关断速度。
图4:
MOSFET等效电路
图5(a)为快速关断波形,关断时通过三极管快速将栅极电荷放掉从而快速关断MOSFET,图5(b)为慢速关断电路,在回路中串一只电阻来控制放电速度,增加电阻可以减缓关断速度。
图5:
功率MOSFET关断电路。
(a)快速关断电路;(b)慢速关断电路。
图6:
AOT266关断波形。
(a)快速关断波形;(b)慢速关断波形
AOT266为AOS新一代的中压MOSFET,其耐压为60V,RDS(ON)仅为3.2毫欧,适合在磷酸铁锂电保护中的应用。
图6(a)为AOT266在不正确的设计时快速关断的波形,AOT266在快关断过程中失效,失效时其电压尖峰为68V,失效后电流不能回零,其失
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