低压电源MOSFET设计

时间:2025-02-10
  低压功率MOSFET设计用于以排水源电压运行,通常低于100 V,但具有与高压设计相同的功能。它们非常适合需要高效效率和处理高电流的应用,即使电源电压很低。关键功能包括以下内容:
  低抗性(RDS(ON))以减少传导过程中的功率损失,从而提高能源效率。当设备打开时,低压MOSFET的排水源电阻特别低,从而地减少了功率损耗。这对于效率至关重要,因为低RD(ON)意味着在传导过程中降低电阻损失
  高开关速度,用于快速切换操作;在DC-DC转换器和高频切换电路等应用中至关重要。由于其先进的结构和材料,低压MOSFET可以很快打开和关闭,这是需要高开关频率的应用,例如开关模式电源
  低门电荷,以地减少控制设备所需的能量,从而减少开关损耗。这允许门驱动器以更少的功率运行
  高电流密度,因此这些设备能够相对于其区域处理高电流,从而使其非常适合空间受限的应用。
  低压功率MOSFET的工作原理与标准MOSFET的工作原理非常相似,但是它们的内部结构已优化以减少传导损失并改善热耗散。在低压动力MOSFET中,底物和门氧化物的设计以承受适度的电压,通常高达100 V,可降低设备的尺寸并提高开关速度。传统MOSFET的平面结构通常被低压设计中的特殊结构所取代,该结构可实现较高的电流密度和较低的RDS(ON),从而进一步优化了低压应用中的性能。
  低压电源MOSFET的优点
  低压电源MOSFET提供了几种优势,使其适合各种应用:
  能源效率:低RD(ON)有助于地减少功率损失,使其特别适合能源保护至关重要的应用,例如电池,可再生能源系统和相对便携的解决方案
  高开关频率:这种类型的MOSFET可以快速切换,有时甚至比传统型号更快。速度的提高减少了ON和OFF状态之间的过渡时间,从而减少了相关的损失。这些组件是切换电源和DC-DC转换器的理想选择
  优化的热管理:低RD(ON)导致较低的能量损失,从而导致热量降低
  较低的温度允许使用更复杂的冷却系统更紧凑的解决方案
  低成本:与为更高电压设计的传统MOSFET相比,低压MOSFET通常价格便宜,因为它们需要较少的绝缘材料和材料。这是一个非常关键的方面,不应被低估。
  低压MOSFET的选择取决于要实施的应用,设计人员必须考虑一些关键因素,例如RDS的值(ON),尤其是当涉及的电流高时,低门的电容,更快的转换,阈值栅极源电压值决定了MOSFET何时开始进行,重要的是热稳定性,因为产生的热量可能会损坏设备或降低其寿命。在以下段落中,我们将回顾一些低压MOSFET的模型,并实施一些简单的测试和测量。
  一些低压MOSFET模型的测试和模拟
  该新类型学的一个示例由东芝提供,其低压(LV)和高效U-MOS IX-H和XH型号,专门设计用于AC/DC电源,动力适配器,电源适配器,电源适配器的次级使用。以及服务器和数据中心的DC/DC电源。 U-MOS系列也适用于运动驱动器,UPS和机床。它们在切换过程中降低电压尖峰和共振,以提高总效率。新型号改善了RDS(ON)和QG/QSW/QOSS之间的权衡,从U-MOS IX-H和双面冷却,的TCH为175°C。这些型号提高了热安全边缘,非常适合需要高功率密度和较小尺寸的应用,并且EMI效果较少。新技术通过采用改善的冷冻功能,低压尖峰和有限的电阻量和电感载荷来减少开关噪声。
  图1比较两种类型的东芝MOSFET,TPH1R306PL(高速开关类型)和TPH1R306P1(低尖峰类型),显示了在电阻和电感载荷条件下的开关波形。波形显示在电阻载荷上切换时MOSFET的行为。 TPH1R306PL(左)在36.8 V处峰值,而TPH1R306P1(右)的较低峰为31.9V。这表明TPH1R306P1的峰响铃较低,从而降低了开关过程中电压尖峰。对于第二个测试,波形表示带有电感载荷的MOSFET的行为,这可能会导致较大的电压瞬变。 TPH1R306PL(左)在59.2 V处峰值,而TPH1R306P1(右)在38.2 V处峰值。再次,TPH1R306P1再次显示出更好的瞬态处理,其峰值远低于TPH1R306PL。 TPH1R306P1旨在降低电压尖峰(“低尖峰”),使其更适合需要更少嘈杂的开关和电路保护的应用。另一方面,TPH1R306PL可用于速度,但在切换过程中具有较高的电压尖峰。

 

  图1:两个MOSFET的性能(来源:东芝)
  stmicroelectronics还致力于低压MOSFET的发展。一个示例是脱衣舞系列,击穿电压范围为20 V至30 V,超低门电荷和24 V时的RDS(ON)为1.2毫米。设计师可以依靠广泛的包装,例如用于紧凑设计的PowerFlat SMD和用于高功率设计的H2PAK。此外,可以根据开关阈值级别(标准,逻辑和超级逻辑)选择模型,以获得更大的设计灵活性。另一位制造商Infineon Technologies也是低压MOSFET生产的。 N渠道MOSFET的广泛投资组合从12 V到40 V包括小型和紧凑的模型,具有,中,高功率应用的Optimos和strongirfet技术。 Infineon MOSFET提供了节省空间的解决方案,不仅可以优化热性能,还可以增加当前评分,同时降低占地面积。 IPP015N04NF2S提供了一个实际的示例(见图2),这是TO-220包装中的40 V n通道功率strongirfet。该组件的低RD(ON)值为1.5毫米,适用于较低和高开关频率的广泛应用。

 

  图2:IPP015N04NF2S低压MOSFET(来源:Infineon Technologies)
  电力半导体产品开发的行业Vishay Siliconix也专注于低压MOSFET。较低的VDS电压,以及较低的RD(ON),可地减少每个设备电源较高的功率损耗。另外,减少所需组件的数量。它还在一系列紧凑的模块中增加了高效设备的功率密度,这些模块可实现PCB优化并减少占地面积的要求。双面冷却选项支持热管理设计的优化。例如,SI2342DS MOSFET(见图3)是一个有趣的模型,在VGS电压为4.5 V上的VD仅为8 V,RDS(ON)为0.017 ohm。功率为2.5 W.

 

  图3:SI2342DS仅8 V的低压MOSFET(来源:Vishay Siliconix)

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