隨著(zhù)制造技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，系統設計人員必須跟上技術(shù)的發(fā)展步伐，才能為其設計挑選最合適的電子器件。MOSFET是電氣系統中的基本部件，工程師需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標才能做出正確選擇。本文將討論如何根據RDS（ON）、熱性能、雪崩擊穿電壓及開(kāi)關(guān)性能指標來(lái)選擇正確的MOSFET。

MOSFET的選擇

MOSFET有兩大類(lèi)型：N溝道和P溝道。在功率系統中，MOSFET可被看成電氣開(kāi)關(guān)。當在N溝道MOSFET的柵極和源極間加上正電壓時(shí)，其開(kāi)關(guān)導通。導通時(shí)，電流可經(jīng)開(kāi)關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個(gè)內阻，稱(chēng)為導通電阻RDS（ON）。必須清楚MOSFET的柵極是個(gè)高阻抗端，因此，總是要在柵極加上一個(gè)電壓。如果柵極為懸空，器件將不能按設計意圖工作，并可能在不恰當的時(shí)刻導通或關(guān)閉，導致系統產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過(guò)器件。雖然這時(shí)器件已經(jīng)關(guān)閉，但仍然有微小電流存在，這稱(chēng)之為漏電流，即IDSS。

第一步：選用N溝道還是P溝道

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個(gè)MOSFET接地，而負載連接到干線(xiàn)電壓上時(shí)，該MOSFET就構成了低壓側開(kāi)關(guān)。在低壓側開(kāi)關(guān)中，應采用N溝道MOSFET，這是出于對關(guān)閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線(xiàn)及負載接地時(shí)，就要用高壓側開(kāi)關(guān)。通常會(huì )在這個(gè)拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出于對電壓驅動(dòng)的考慮。

要選擇適合應用的器件，必須確定驅動(dòng)器件所需的電壓，以及在設計中最簡(jiǎn)易執行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。額定電壓越大，器件的成本就越高。根據實(shí)踐經(jīng)驗，額定電壓應當大于干線(xiàn)電壓或總線(xiàn)電壓。這樣才能提供足夠的保護，使MOSFET不會(huì )失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會(huì )隨溫度而變化這點(diǎn)十分重要。設計人員必須在整個(gè)工作溫度范圍內測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個(gè)變化范圍，確保電路不會(huì )失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開(kāi)關(guān)電子設備（如電機或變壓器）誘發(fā)的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。

第二步：確定額定電流

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個(gè)額定電流，即使在系統產(chǎn)生尖峰電流時(shí)。兩個(gè)考慮的電流情況是連續模式和脈沖尖峰。在連續導通模式下，MOSFET處于穩態(tài)，此時(shí)電流連續通過(guò)器件。脈沖尖峰是指有大量電涌（或尖峰電流）流過(guò)器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，只需直接選擇能承受這個(gè)最大電流的器件便可。

選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實(shí)際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過(guò)程中會(huì )有電能損耗，這稱(chēng)之為導通損耗。MOSFET在“導通”時(shí)就像一個(gè)可變電阻，由器件的RDS（ON）所確定，并隨溫度而顯著(zhù)變化。器件的功率耗損可由Iload2&TImes;RDS（ON）計算，由于導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會(huì )隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS（ON）就會(huì )越��；反之RDS（ON）就會(huì )越高。對系統設計人員來(lái)說(shuō)，這就是取決于系統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來(lái)說(shuō)，采用較低的電壓比較容易（較為普遍），而對于工業(yè)設計，可采用較高的電壓。注意RDS（ON）電阻會(huì )隨著(zhù)電流輕微上升。關(guān)于RDS（ON）電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

技術(shù)對器件的特性有著(zhù)重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS時(shí)往往會(huì )使RDS（ON）增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS（ON），那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開(kāi)發(fā)成本。業(yè)界現有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)。

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個(gè)深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS（ON）。為了減少最大VDS對RDS（ON）的影響，開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用了外延生長(cháng)柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開(kāi)發(fā)了稱(chēng)為SuperFET的技術(shù)，針對RDS（ON）的降低而增加了額外的制造步驟。這種對RDS（ON）的關(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時(shí)，RDS（ON）會(huì )隨之呈指數級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS（ON）與晶片尺寸間的指數關(guān)系變成了線(xiàn)性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實(shí)現理想的低RDS（ON）。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)封裝尺寸的大幅減小。

第三步：確定熱要求

選擇MOSFET的下一步是計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實(shí)情況。建議采用針對最壞情況的計算結果，因為這個(gè)結果提供更大的安全余量，能確保系統不會(huì )失效。在MOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環(huán)境之間的熱阻，以及最大的結溫。

器件的結溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積（結溫=最大環(huán)境溫度+［熱阻&TImes;功率耗散］）。根據這個(gè)方程可解出系統的最大功率耗散，即按定義相等于I2&TImes;RDS（ON）。由于設計人員已確定將要通過(guò)器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS（ON）。值得注意的是，在處理簡(jiǎn)單熱模型時(shí)，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會(huì )立即升溫。

雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過(guò)最大值，并形成強電場(chǎng)使器件內電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會(huì )對器件進(jìn)行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或對器件的穩健性進(jìn)行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實(shí)用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測試的詳情，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（見(jiàn)http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-9034.pdf#page=1）。除計算外，技術(shù)對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會(huì )提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩健性。對最終用戶(hù)而言，這意味著(zhù)要在系統中采用更大的封裝件。

第四步：決定開(kāi)關(guān)性能

選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開(kāi)關(guān)性能。影響開(kāi)關(guān)性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/

源極及漏極/源極電容。這些電容會(huì )在器件中產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，因為在每次開(kāi)關(guān)時(shí)都要對它們充電。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開(kāi)關(guān)過(guò)程中器件的總損耗，設計人員必須計算開(kāi)通過(guò)程中的損耗（Eon）和關(guān)閉過(guò)程中的損耗（Eoff）。MOSFET開(kāi)關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=（Eon+Eoff）&TImes;開(kāi)關(guān)頻率。而柵極電荷（Qgd）對開(kāi)關(guān)性能的影響最大。

基于開(kāi)關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開(kāi)發(fā)以解決這個(gè)開(kāi)關(guān)問(wèn)題。芯片尺寸的增加會(huì )加大柵極電荷；而這會(huì )使器件尺寸增大。為了減少開(kāi)關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應運而生，旨在減少柵極電荷。舉例說(shuō)，SuperFET這種新技術(shù)就可通過(guò)降低RDS（ON）和柵極電荷（Qg），最大限度地減少傳導損耗和提高開(kāi)關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應對開(kāi)關(guān)過(guò)程中的高速電壓瞬變（dv/dt）和電流瞬變（di/dt），甚至可在更高的開(kāi)關(guān)頻率下可靠地工作。

結論

通過(guò)了解MOSFET的類(lèi)型及了解和決定它們的重要性能特點(diǎn)，設計人員就能針對特定設計選擇正確的MOSFET。由于MOSFET是電氣系統中最基本的部件之一，選擇正確的MOSFET對整個(gè)設計是否成功起著(zhù)關(guān)鍵的作用。