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場效應管的選型及應用概覽

    場效應管廣泛使用在模擬電路與數字電路中,和我們的生活密不可分。場效應管的優勢在于:首先驅動電路比較簡單。場效應管需要的驅動電流比BJT則小得多,而且通??梢災苯佑蒀MOS或者集電極開路TTL驅動電路驅動;其次場效應管的開關速度比較迅速,能夠以較高的速度工作,因為沒有電荷存儲效應;另外場效應管沒有二次擊穿失效機理,它在溫度越高時往往耐力越強,而且發生熱擊穿的可能性越低,還可以在較寬的溫度范圍內提供較好的性能。場效應管已經得到了大量應用,在消費電子、工業產品、機電設備、智能手機以及其他便攜式數碼電子產品中隨處可見。

    近年來,隨著汽車、通信、能源、消費、綠色工業等大量應用場效應管產品的行業在近幾年來得到了快速的發展,功率場效應管更是備受關注。據預測,2010-2015年中國功率MOSFET市場的總體復合年度增長率將達到13.7%。 雖然市場研究公司 iSuppli 表示由于宏觀的投資和經濟政策和日本地震帶來的晶圓與原材料供應問題,今年的功率場效應管市場會放緩,但消費電子和數據處理的需求依然旺盛,因此長期來看,功率場效應管的增長還是會持續一段相當長的時間。

    技術一直在進步,功率場效應管市場逐漸受到了新技術的挑戰。例如,業內有不少公司已經開始研發GaN功率器件,并且斷言硅功率場效應管的性能可提升的空間已經非常有限。不過,GaN 對功率場效應管市場的挑戰還處于非常初期的階段,場效應管在技術成熟度、供應量等方面仍然占據明顯的優勢,經過三十多年的發展,場效應管市場也不會輕易被新技術迅速替代。

    五年甚至更長的時間內,場效應管仍會占據主導的位置。場效應管也仍將是眾多剛入行的工程師都會接觸到的器件,本期內容將會從基礎開始,探討場效應管的一些基礎知識,包括選型、關鍵參數的介紹、系統和散熱的考慮等為大家做一些介紹。

一.場效應管的基礎選型

    場效應管有兩大類型:N溝道和P溝道。在功率系統中,場效應管可被看成電氣開關。當在N溝道場效應管的柵極和源極間加上正電壓時,其開關導通。導通時,電流可經開關從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內阻,稱為導通電阻RDS(ON)。必須清楚場效應管的柵極是個高阻抗端,因此,總是要在柵極加上一個電壓。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刻導通或關閉,導致系統產生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時,開關關閉,而電流停止通過器件。雖然這時器件已經關閉,但仍然有微小電流存在,這稱之為漏電流,即IDSS。

    作為電氣系統中的基本部件,工程師如何根據參數做出正確選擇呢?本文將討論如何通過四步來選擇正確的場效應管。

    1)溝道的選擇。為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道場效應管。在典型的功率應用中,當一個場效應管接地,而負載連接到干線電壓上時,該場效應管就構成了低壓側開關。在低壓側開關中,應采用N溝道場效應管,這是出于對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當場效應管連接到總線及負載接地時,就要用高壓側開關。通?;嵩謖飧鐾仄酥脅捎肞溝道場效應管,這也是出于對電壓驅動的考慮。

    2)電壓和電流的選擇。額定電壓越大,器件的成本就越高。根據實踐經驗,額定電壓應當大于干線電壓或總線電壓。這樣才能提供足夠的?;?,使場效應管不會失效。就選擇場效應管而言,必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓,即最大VDS。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關電子設備(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。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。
在連續導通模式下,場效應管處于穩態,此時電流連續通過器件。脈沖尖峰是指有大量電涌(或尖峰電流)流過器件。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最大電流的器件便可。

    3)計算導通損耗。場效應管器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算,由于導通電阻隨溫度變化,因此功率耗損也會隨之按比例變化。對便攜式設計來說,采用較低的電壓比較容易(較為普遍),而對于工業設計,可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關于RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在制造商提供的技術資料表中查到。

    需要提醒設計人員,一般來說MOS管規格書標注的Id電流是MOS管芯片的最大常態電流,實際使用時的最大常態電流還要受封裝的最大電流限制。因此客戶設計產品時的最大使用電流設定要考慮封裝的最大電流限制。建議客戶設計產品時的最大使用電流設定更重要的是要考慮MOS管的內阻參數。

    4)計算系統的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況,即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結果,因為這個結果提供更大的安全余量,能確保系統不會失效。在場效應管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境之間的熱阻,以及最大的結溫。

    開關損耗其實也是一個很重要的指標。從下圖可以看到,導通瞬間的電壓電流乘積相當大。一定程度上決定了器件的開關性能。不過,如果系統對開關性能要求比較高,可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。
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