場效應管廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，和我們的生活密不可分。場效應管的優(yōu)勢在于：首先驅(qū)動電路比較簡單。場效應管需要的驅(qū)動電流比BJT則小得多，而且通?？梢灾苯佑蒀MOS或者集電極開路TTL驅(qū)動電路驅(qū)動；其次場效應管的開關(guān)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(fā)生熱擊穿的可能性越低，還可以在較寬的溫度范圍內(nèi)提供較好的性能。場效應管已經(jīng)得到了大量應用，在消費電子、工業(yè)產(chǎn)品、機電設(shè)備、智能手機以及其他便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品中隨處可見。

    近年來，隨著汽車、通信、能源、消費、綠色工業(yè)等大量應用場效應管產(chǎn)品的行業(yè)在近幾年來得到了快速的發(fā)展，功率場效應管更是備受關(guān)注。據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)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(xù)一段相當長的時間。

    技術(shù)一直在進步，功率場效應管市場逐漸受到了新技術(shù)的挑戰(zhàn)。例如，業(yè)內(nèi)有不少公司已經(jīng)開始研發(fā)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(jīng)非常有限。不過，GaN 對功率場效應管市場的挑戰(zhàn)還處于非常初期的階段，場效應管在技術(shù)成熟度、供應量等方面仍然占據(jù)明顯的優(yōu)勢，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，場效應管市場也不會輕易被新技術(shù)迅速替代。

    五年甚至更長的時間內(nèi)，場效應管仍會占據(jù)主導的位置。場效應管也仍將是眾多剛?cè)胄械墓こ處煻紩佑|到的器件，本期內(nèi)容將會從基礎(chǔ)開始，探討場效應管的一些基礎(chǔ)知識，包括選型、關(guān)鍵參數(shù)的介紹、系統(tǒng)和散熱的考慮等為大家做一些介紹。

    一.場效應管的基礎(chǔ)選型

    場效應管有兩大類型：N溝道和P溝道。在功率系統(tǒng)中，場效應管可被看成電氣開關(guān)。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(guān)導通。導通時，電流可經(jīng)開關(guān)從漏極流向源極。漏極和源極之間存在一個內(nèi)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(shè)計意圖工作，并可能在不恰當?shù)臅r刻導通或關(guān)閉，導致系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的功率損耗。當源極和柵極間的電壓為零時，開關(guān)關(guān)閉，而電流停止通過器件。雖然這時器件已經(jīng)關(guān)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(tǒng)中的基本部件，工程師如何根據(jù)參數(shù)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(shè)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(gòu)成了低壓側(cè)開關(guān)。在低壓側(cè)開關(guān)中，應采用N溝道場效應管，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當場效應管連接到總線及負載接地時，就要用高壓側(cè)開關(guān)。通常會在這個拓撲中采用P溝道場效應管，這也是出于對電壓驅(qū)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(jù)實踐經(jīng)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保護，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較大電壓，即大VDS。設(shè)計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設(shè)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(shè)備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。

    在連續(xù)導通模式下，場效應管處于穩(wěn)態(tài)，此時電流連續(xù)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電流，只需直接選擇能承受這個大電流的器件便可。

    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(shè)計來說，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)，而對于工業(yè)設(shè)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(guān)于RDS(ON)電阻的各種電氣參數(shù)變化可在制造商提供的技術(shù)資料表中查到。

    需要提醒設(shè)計人員，一般來說MOS管規(guī)格書標注的Id電流是MOS管芯片的較大常態(tài)電流，實際使用時的較大常態(tài)電流還要受封裝的較大電流限制。因此客戶設(shè)計產(chǎn)品時的較大使用電流設(shè)定要考慮封裝的較大電流限制。建議客戶設(shè)計產(chǎn)品時的較大使用電流設(shè)定更重要的是要考慮MOS管的內(nèi)阻參數(shù)。

    4）計算系統(tǒng)的散熱要求。設(shè)計人員必須考慮兩種不同的情況，即壞情況和真實情況。建議采用針對壞情況的計算結(jié)果，因為這個結(jié)果提供更大的安全余量，能確保系統(tǒng)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(shù)據(jù)；比如封裝器件的半導體結(jié)與環(huán)境之間的熱阻，以及較大的結(jié)溫。

    開關(guān)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(guān)性能。不過，如果系統(tǒng)對開關(guān)性能要求比較高，可以選擇柵極電荷QG比較小的功率MOSFET。