设计功率MOSFET电路

通过凯尔猎人 7个月前 没意见
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MOSFET电路设计和选择是对我来说,覆盖常用请求的主题。有很多关于MOSFET的用途,因此,它们已经成为比标准BJT或NPN晶体管越来越普遍,尤其是在高功率应用。本文将讨论不同的MOSFET电路设计,专为高性能的应用程序。我也将进入重要的规格和部分选择使用数据表。有很多精彩的文章深入研究了MOSFET设计的内部工作原理和派生。app note就是这样一篇文章AN608a威世。我写这篇文章的目的是关注设计有用的MOSFET电路所需的方程和信息。我将主要集中在高功率的应用,但也将简要地提到关于快速开关mosfet的信息。

MOSFET底漆

在mosfet的基础上有很多有用的信息,所以我将在这里简单地讨论。我打算更多地关注使用mosfet的实际应用和电路。MOSFET和BJT/NPN晶体管的根本区别在于MOSFET是基于施加的电压而不是电流来启动的。一个MOSFET栅极本质上就像一个电容器,当充电时,允许源极和漏极传导。这与BJT/NPN相反,BJT/NPN需要电流进行传导。由于MOSFET的电路只需要有一个施加的电压,他们往往更容易实现。它们也不像NPN/BJT晶体管那样有一个明确的线性区域。因此,它们通常用于开关应用程序,在这些应用程序中它们可以快速地打开和关闭。

了解MOSFET栅极电容

了解一个MOSFET的栅极充当一个电容器,是了解如何设计MOSFET电路的关键。正如任何电容器,所施加的电压被视为最初的短路。一旦电容器被充电时,存在本质上流动,与观看电容器为开路电路零电流。这需要一定的时间量的电容充分充电。同样是一个MOSFET栅极的电容也是如此。一个MOSFET数据表这个上最有用的指标是“总闸门。”“注入”充电该量成MOSFET的栅极充分打开它。

这栅极电荷是管理在其中您可以切换MOSFET的速度一两件事。任何电荷被注入到栅极之前,它被完全关闭时,没有电流能够从漏极流向源极。由于电荷被注入到栅极,越来越多的电流能够从漏极流到源极,直至所述栅极电容被完全充电。所有费用必须然后从门取出打开MOSFET关断。确定需要充电和放电的栅极的时间有助于确定一个MOSFET电路的最大开关速度。

MOSFET RDS(ON)

人们了解的mosfts的第一个规格是Rds(上)。这是一个简单的电阻,所述MOSFET具有跨越时完全导通它的源极到漏极的量。这是要注意重要的是,导通电阻Rds依赖于栅电压。如果电压不够高,不足以完全导通MOSFET,RDS有可能危险的高。很多人把RDS(ON)作为最重要的规范研究什么MOSFET使用时。虽然在低速时切换到高功率负载时,这可能是真实的,它是绝对不是这样PWM'ing负载时。

通常存在RDS和总的栅极电荷的MOSFET之间的反比关系。这意味着将有折衷与例如PWM信号驱动高功率LED时,使。大功率负载将在一个“相对”低的PWM频率下驱动,所以最好是专注于降低Rds而不是栅电荷。

什么是逻辑级mosfet ?

有MOSFET的两个不同的“类型”相对于的Vgs(电压从栅极到源)。“标准”或“正常” MOSFET需要10V左右,以确保它是完全“开”。在10V的导通电阻Rds将典型地在整个电压范围内它的最小值。A“逻辑电平” MOSFET是一种相对较新的MOSFET的想法。相反,需要10V打开的,他们可能只需要5V或更小。这些主要优点是显而易见的:你可以直接开启或关闭从TTL微控制器。虽然诱人总是默认为这些MOSFET中的一个,我强烈建议只使用他们的低功耗,低的切换应用程序。

低Vgs能力伴随着门电荷和Rds(on)的牺牲。与逻辑级MOSFET,你将倾向于有一个较低的最大开关速度,它耗散更多的热量比可比的“标准”MOSFET。这是由于较高的Rds和门电荷。我将讨论从微控制器的逻辑级信号间接驱动“标准”mosfet的几种简单方法。当设计MOSFET电路时,这提供了最好的两个世界。

什么MOSFET栅极电阻在巡回?

被忽视的东西,误解受到了很多电路设计者谁是新的MOSFET的是栅极电阻的需求。由于MOSFET的栅极本质上是一个电容器,会发生什么的电压施加到栅极没有栅极电阻的瞬间?该电路将看到门作为一个死短(从技术上讲不正确的,因为走线和线具有寄生电阻和电感,但足够接近)。这会产生一些潜在的问题。这浪涌电流可能会损坏驱动电路如果不能迅速源多。其次,由于寄生电感和栅极电容,存在具有“振铃”发生在栅极的危险。这个振铃可以强制其栅极连接到振荡上/之间开关状态,或者更糟的是,overvoltaging和完全毁坏MOSFET。

一个简单的MOSFET与100R栅电阻

图1:一个100R电阻控制栅的充电率。这限制了最大电流的量。

另一个没有门电阻的问题是寄生电阻成为门计算的重要部分。当使用如图1所示的100R门电阻时,一对欧姆的寄生电阻不会对计算产生有意义的影响。当切换大功率mosfet或任何低速电路时,门电阻的精确值通常并不重要。我通常使用10R或100R电阻,并在测试时调整它,如果需要。当切换速度接近几千赫兹时,重要的是要计算使用最大尺寸的栅电阻。

逻辑电平MOSFET电路基础知识

A N沟道MOSFET电路与MOSFET controling一个LED。有与控制线串联的100R栅极电阻

图2:基本的MOSFET电路与一个n通道MOSFET控制一个LED。

对于本文的其余部分,我将被限制的讨论只讨论N沟道MOSFET。这些都是容易驾驶并且是驱动大功率负载是最常见的类型。图2示出最简单的MOSFET电路。R1是栅极电阻,限制电流的量,并防止在栅极任何振铃。R 2是一个10K下拉电阻,确保MOSFET始终处于一个已知的状态。Q1是一个逻辑电平的MOSFET,用于控制指示器在毫安的10S LED的适当的选择。由于Q1是逻辑电平的MOSFET,CNTRL_MOSFET可以是从标准的微控制器的I / O线

“正常”的MOSFET电路

一波MOSFET是控制12A负载从12V和1R电阻

图3:阿IRFS7530功率MOSFET在12V驱动12A电阻性负载。

驱动“正常”mosfet稍微更复杂,因为他们需要有至少10V的栅极上完全导电。图3显示了一个有用的例子低侧n通道MOSFET电路。12A负载从an转换而来IRFS7530,高功率MOSFET D2PAK。这是你如何能控制的电阻加热元件的例子。既然你PWM电阻率是相当低的,一个100R电阻是一个有效的选择。

甲MOSFET是由一个集成的低侧驱动器驱动

图4:控制一个MOSFET使用集成MOSFET低侧驱动器。

最简单的-通常是最好的-方式来驱动功率mosfet是使用一个特制的,集成的驱动。这些芯片使用内部逻辑水平MOSFET电路采取逻辑水平输入从微控制器和开关MOSFET。图4显示了NCP81074A基于电路。这是我最喜欢使用的驱动程序之一,因为它有一个单独的源和接收pin。如果需要,这允许开关速度的开和关时间进行微调。根据门电阻的不同,该芯片能够以极快的速度向门充电,最大限度地减少功率损失。

要注意的一个重要事项是解耦电容器C1/C2。我强烈建议使用比数据表中建议的容量更大的电容。由于驱动需要源大量的电流来打开MOSFET,电容越多越好。从引脚U1.4/5到R1然后Q2.1的痕迹的长度也应该尽可能的短,以最小化寄生电感,这会降低开关速度。

甲NPN晶体管用于从仅TTL微控制器电压接通在12V的MOSFET

图5:使用NPN晶体管从逻辑级信号驱动MOSFET的替代方法。

唯一真正的理由不使用于高功率MOSFET专用栅极驱动器是尽量降低成本。驱动MOSFET便宜的方式在图5所示我只会在绝对必要时建议使用这种方法,因为专用的栅极驱动器来实现更容易,而且往往有更好的表现。

解读MOSFET数据表规格

阅读和理解任何组件数据表可以是一个艰巨的任务,而MOSFET是没有什么不同。此外,我与这个讨论的目的不是下井“误入歧途”与公式和推导。我将讨论好“经验法则”为选择的MOSFET。有很多中,你需要做更深入的分析和测试,以确保选择将正常运行的组件的情况下。

比方说,你在设计一个定制H桥驱动为大功率电机控制器。这是一个基于4功率mosfet的电路。规格,该电路必须有:

  • 高达10A的连续电流
  • 最大失速电流为25A
  • 12VDC
  • “沉默”在20kHz的超声波频率的PWM速度控制
  • 最大限度地减少热耗散(一如既往!)

我们将使用从数据表IRFS7530 MOSFET在前面的实施例作为参考示出。

重要的规范

    1. ID(包装有限公司)- 这是该包的最大理论的漏极电流。这是由新设计师普遍误解规范。你绝对不能超过这个值,但它并不意味着你能实际上是在电流驱动负载。达到此规格之前,MOSFET几乎总是从热燃烧起来。因此,必须采取与一粒盐。该IRFS7530具有240A的ID,所以我们是很好的在那里。
    2. VGS-对栅极施加的相对于源极的最大电压。非常容易理解。我们的MOSFET是+-20V,我们使用的电压是12V,所以我们还没有接近极限。
    3. VDSS- 另一种不言自明的规范。从漏极到源不能超过,这是60V在这种情况下,我们也安全范围内的电压差。
    4. Rds(上)-在给定的栅极电压下,从漏极到源极的最大预期电阻。我们发现MOSFET的最坏情况Rds(on)为1m4。图6显示了在MOSFET数据表中常见的图形。我们可以看到,Rds(on)变得平缓,在~8V以上有最小值。这是预期从一个非逻辑级MOSFET,和可接受时,在12伏驱动。
      的Rds(on)与MOSFET的Vgs的在不同温度下

      图6:不同温度下的Rds(on)和vg。

    5. RthetaJA (Junction-to-Ambient)- 这是从管芯结到封装的外部环境空气的热阻。这将与铜的PCB上的特定量来指定。
    6. 路上-如前所述,这是注入到门的全部电荷需要完全打开MOSFET“on”。这考虑了门到源电荷,门到漏极电荷,以及其他内部寄生。这是用来计算MOSFET的最大“理论”开关速度的最简单的规范。

计算功率和散热

一个重要的-和简单的计算,以作出是看多少功率MOSFET将耗散在给定的负载。我们的最大负载为25A,最大Rds(on)为1m4。

P =我2* R = 252* 1.4 * 10-3=0.875W

现在,我们需要使用到相关权力,以有意义的值Junction-to-Ambient (RthetaJA)在数据表的第二页,它给出的最大值为40c /w。这意味着每消耗1瓦的能量,结温就会增加40摄氏度。所以:

0.875W * 40 c/w =35C

在25℃的环境温度,用25A的电流时,MOSFET的结温度将在60℃左右。它通常应保持在10℃这个温度下,80℃是一个“理想的”最大。因为我们只在一个摊位来绘制25A,大家都很安全范围内。还可以通过添加散热片,可以减少此温度。

确定开关速度

下一部分是“经验法则”问题发挥作用的主要部分。这里有很多信息和许多更精确的方法来确定mosfet的理论开关速度限制。我将要展示的是一种适用于“大多数”情况的过于简化的方法。如果你需要在几千赫兹或更高的频率切换,或者如果你计算一个接近我将展示的方法的上端的值,做更高级的计算是明智的。

从数据表中,我们找到总栅极电荷Qg最大354nC的是。我们将使用NCP81074A门驱动器,它可以源多达10A。

与10R的栅极电阻,使用

V =红外:

12我* 10 =

我= 1.2

然后,

t = Q / I

= 354nC / 1.2A

T = 295ns

哪里

t =时间以秒为单位

Q = Coloumbs电荷

我在安培电流=

因此,这意味着,它需要295毫微秒用于栅切换充分上,然后周围那么长的时间完全放电。这意味着,我们有差不多的2MHz这种配置的理论最大切换速度!由于所有我们需要的是在20kHz开关,我们认为以下几个数量级。只要我们保持远离最大理论,我用这个简单的计算,手感非常舒适。如果我们需要但以1MHz切换,我需要做更复杂的计算,以自信与MOSFET的选择。这个程序注意讨论这些计算得非常好。

结论

随着信息化在那里讨论的MOSFET的量可能很难进行导航。在这篇文章中,我去了一些最重要的指标集中选择MOSFET当。我还概述了一些简单的计算,以确定是否MOSFET和相应的MOSFET驱动器适用于特定的应用程序。虽然一些高速应用这些简化可能不够准确,多数高功率电路将跟随他们的罚款。

在这里,在MicroType工程,我们有很多年的经验设计使用的MOSFET高功率电路。不要犹豫,联系我们今天,以了解我们的能力以及我们如何能够帮助你在你的下一个电子项目!

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