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功率 MOSFET 如何在电力电子中实现更高的效率

作者: 浮思特科技2024-05-28 13:59:54

  现代电子应用需要高开关频率才能实现相应的高效率,功率 mosfet 是高功率应用中的重要组件,它们提供相对较低的栅极电荷,非常适合中高功率用例。较低的栅极电荷降低了驱动电流要求,从而实现了高频率和更高的效率。 这篇文章浮思特探讨了中等功率 MOSFET 在各种应用中的优势、局限性以及选择时的注意事项。

功率mosfet

  功率 MOSFET 在电子应用中的作用

  功率 MOSFET 通常按其击穿电压进行分类。与击穿电压范围分别为 400 - 650 V 和 >700 V 的高功率 MOSFET 和超高功率 MOSFET 不同,中功率 MOSFET 的击穿电压范围为 30 V 至 350 V,栅极电荷低,导通电阻低至 2.6 mΩ (30 V)。因此,许多设计师将中功率 MOSFET 纳入其电源系统的设计中。

  具有较低电压击穿范围的功率 MOSFET 支持更高的开关速度。ROHM 的第 6 代功率 MOSFET 系列就是一个例子。它们通常有 n 通道和 p 通道版本,并提供高达 100 kHz 的开关频率。与晶闸管和 IGBT 等其他半导体器件相比,将功率 MOSFET 集成到 PCB 中对于在较低电压下实现高开关速度和效率至关重要,从而显著减少能量损失和反向恢复时间。

  功率 MOSFET 的优点和局限性

  功率 MOSFET 为各种应用提供了多种优势。这些优势包括:

  低成本

  尺寸紧凑,易于与电力电子设备集成

  增强切换速度

  在高开关频率下运行(减少能量损失)

  简单的栅极驱动电路

  由于非负功率系数而具有热稳定性

  低导通电阻(有助于限制功率损耗)

  无需额外电路进行换向

  然而,功率 MOSFET 的阻断能力有限,这种能力是不对称的。这可以保护它们免受正向电压浪涌的影响,但也使它们容易受到反向电压的影响。因此,它们需要一个额外的二极管来保护反向电压浪涌。

功率mosfet

  工业应用中的功率 MOSFET

  功率 MOSFET 通常用于电压要求在 350 V 阈值以内的应用中。其低导通电阻特性对大多数应用尤其有吸引力。它们可降低功耗,从而确保降低成本、尺寸和所需的冷却,从而全面改善电子电力系统。一些使用功率 MOSFET 的工业应用包括负载切换、DC/DC 转换器、电源和低压电机控制。

  选择功率 MOSFET 时要考虑的因素

  以下是选择大功率应用的功率 MOSFET 的基本考虑因素:

  通道类型

  最大漏源电压

  漏极至源极电阻

  封装/箱体

  栅极电压阈值

  最大直流漏极电流

  栅极电荷

  通道类型

  这是指器件中硅片的结构性质。n 通道功率 MOSFET 在栅极相对于源极的正电压下导通,而 p 通道功率 MOSFET 在栅极-源极负电压下导通。了解器件在系统中的位置有助于设计人员决定哪种类型更合适。

  最大漏源电压

  此额定值是在考虑了器件在关闭时阻断施加电压的能力后指定的。大多数设计人员遵循的一般指导原则是选择额定电压为施加到漏极的预期电压两倍的器件。这是因为在 MOSFET 集成电气系统中,高于输入电压的短电压尖峰很常见。

  漏极至源极电阻

  此关键参数会影响半导体器件在导电时产生的热量。设计人员需要考虑特定源击穿电压 (VGS) 和工作温度下的相应 RDS(on) 值,然后再为其应用选择理想的功率 MOSFET。

  封装/箱体

  必须根据设计的热和机械要求选择 MOSFET 封装/外壳。此外,电路板空间和物理布局也使设计人员倾向于选择某些器件,而不是其他器件,因为这会影响它们在高电流或功耗设计中的热性能。

  栅极电压阈值

  此阈值决定了功率 MOSFET 解决方案开始导通的电压。因此,较低的栅极电压阈值允许 MOSFET 更快地导通以实现全电流导通。通过考虑控制系统 MCU 和栅极驱动器的输出电压,设计人员可以为他们的应用选择最合适的功率 MOSFET。

  最大直流漏极电流

  这是器件在特定工作温度下可以承受的最大电流。通过参考数据表中的安全工作区曲线,系统设计人员可以确定其功率 MOSFET 应用所需的电流。

  栅极电荷

  使器件完全导通所需的电荷量称为栅极电荷 (Qg)。低功率 MOSFET 的 Qg 值较低,因此开关操作效率更高。

  适用于电力电子应用的 ROHM 功率 FET

  浮思特是业界领先的半导体和相关元件供应商。浮思特的功率 MOSFET 特别适用于 DC/DC 转换器和负载切换应用。浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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