如何选择合适的MOSFET？_专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是一类主要用于开关应用的半导体器件，其核心特性是能够承受高电压和大电流。凭借更高的效率以及在高速开关场景下的卓越性能，MOSFET成为电源设计中的最优选择。下面我们将探讨一些关键标准，以帮助为电力电子项目选择合适的MOSFET（或多颗MOSFET）。

作为逻辑开关的工作特性参数

无论项目采用何种逻辑电平（或模拟电平），总存在不同的阈值电压来界定器件的明确导通或截止状态。换言之，这些电压值决定了器件在高/低逻辑电平下的精确工作情况。通常，在高、低电平之间存在一个过渡区域，该区域确保了两个电平间的转换不会过于剧烈。这一区域被称为“非法区”或“不确定区”，如图1所示。

以下是栅源阈值电压的最小值和最大值的观测要点：

· VGS(th)（最小值）：当栅极电压低于此值时，MOSFET处于关断状态。
· VGS(th)（最大值）：当栅极电压高于此值时，MOSFET进入导通状态。

通常，针对5V正逻辑系统，最小栅极电压范围为0.5V至1V。高于最大阈值的电压可确保MOSFET导通。而介于最小阈值上限与最大阈值下限之间的电压可能导致MOSFET随机导通或关断，这一区域必须避免，因其代表不确定性区域，MOSFET的行为无法预先确定。因此，在设计新系统逻辑前，需针对具体器件的栅极特性展开研究。图2展示了一个典型电路：8Ω负载由96V电压供电，此时MOSFET作为电子开关工作，通过合适的电源驱动其“栅极”即可实现通断控制。以UnitedSiC UF3C065080T3S型号为例，其栅极适用电压范围为-25V至25V。

接下来，我们通过观察负载R1的电流随栅极电压的变化，分析MOSFET的导通特性（相关曲线如图3所示）。当栅极电压在-25V至5.8V范围内时，器件始终处于关断状态（开关断开）；当栅极电压升至6.4V至25V时，MOSFET表现为闭合开关。

当栅极电压处于5.8V至6.4V之间（对应约600mV的电压波动）时，MOSFET实际工作在线性区。这一区间必须规避，因为此时器件会消耗大量热功率（如图4所示的碳化硅功率曲线）。以M1（红色曲线）的平均功率为例，其损耗分布如下：

· 截止期：0W
· 饱和期：12.5W
· 不确定区及线性区：133.75W（峰值288W）
电路效率也极大程度上受此特性影响。

导通电阻（RDS(ON)）参数

RDS(ON)意为“导通状态下的漏源间电阻”。MOSFET通常作为功率晶体管的更优替代方案，广泛应用于大电流开关场景。根据欧姆定律，RDS(ON)越小，MOSFET的能量损耗越低，能效越高，发热量也越小。因此，设计者应选择RDS(ON)尽可能小的器件。在本例中，MOSFET导通时的RDS(ON)可通过以下公式计算：

RDS(ON)=I(漏极)V(漏极)

根据器件数据手册的官方规格，代入数值得：

RDS(ON)=11.874281.00574≈0.084Ω(84毫欧)

输入电容（Ciss）与输出电容（Coss）参数

MOSFET的栅极、氧化层及本体间的连接本质上构成了一个微型电容。当栅极施加电压时，该“虚拟电容”开始充电，充电过程需要时间，从而导致导通延迟。为避免过长延迟，设计者应选择输入电容尽可能小的MOSFET。若MOSFET直接连接至微控制器（MCU）输出引脚，建议通过外部电阻连接栅极，以防止意外误动作。以本例使用的碳化硅模型为例，其电容参数如下：

· 输入电容（Ciss）：VDS=100V，VGS=0V，频率=100kHz时，1500pF
· 输出电容（Coss）：VDS=100V，VGS=0V，频率=100kHz时，104pF

与开关速度相关的参数

MOSFET尤其适用于高频开关场景。频率越高，变压器体积可越小，但传输噪声也会增大。无论如何，以下是与器件开关速度直接相关的核心参数：

· 开通延迟时间（tdon）：25ns
· 上升时间（tr）：14ns
· 关断延迟时间（tdoff）：54ns
· 下降时间（tf）：11ns

图5的曲线展示了MOSFET在两种频率下的开关特性。上方两图对应1MHz开关频率，分别显示了负载电流信号、栅极电压及PWM发生器电压；可见在此频率下，器件表现优异。下方两图为10MHz方波信号，需注意所有信号均严重失真，此时MOSFET实际上始终处于导通状态。

结论

上述参数仅为MOSFET选型需考虑的部分关键指标。设计者还需研究器件的其他特性（如散热性能等）。掌握MOSFET的应用是一项极具价值的技术实践，能显著提升电路效率并拓展系统功能。其他需关注的运行参数包括反向恢复时间、ESD防护能力、开关损耗、最大耐受电压/电流等，相关信息可通过器件官方数据手册获取。

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