功率MOSFET數(shù)據(jù)表深入分析
本文不準(zhǔn)備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術(shù)大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的常用主要參數(shù),以幫助設(shè)計者更好的使用功率MOSFET進(jìn)行設(shè)計。
數(shù)據(jù)表中的參數(shù)分為兩類:即最大額定值和電氣特性值。對于前者,在任何情況下都不能超過,否則器件將永久損害;對于后者,一般以最小值、最大值、和典型值的形式給出,它們的值與測試方法和應(yīng)用條件密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中,若超出電氣特性值,器件本身并不一定損壞,但如果設(shè)計裕度不足,可能導(dǎo)致電路工作失常。
在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表給出的參數(shù)中, 通常最為關(guān)心的基本參數(shù)為、、Qgs、和Vgs。更為高級一些的參數(shù),如ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、EAS等,將在本文的下篇中再做介紹。
為了使每個參數(shù)的說明更具備直觀性和易于理解,選用了英飛凌公司的功率MOSFET,型號為IPD90N06S4-04。本文中所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的。下面就對這些參數(shù)做逐一的介紹。
: 通態(tài)電阻。是和溫度和Vgs相關(guān)的參數(shù),是MOSFET重要的參數(shù)之一。在數(shù)據(jù)表中,給出了在室溫下的典型值和最大值,并給出了得到這個值的測試條件,詳見下表。
除了表格以外,數(shù)據(jù)表中還給出了通態(tài)電阻隨著結(jié)溫變化的數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出,結(jié)溫越高,通態(tài)電阻越高。正是由于這個特性,當(dāng)單個功率MOSFET的電流容量不夠時,可以采用多個同類型的功率MOSFET并聯(lián)來進(jìn)行擴(kuò)流。
如果需要計算在指定溫度下的,可以采用以下的計算公式。
上式中 為與工藝技術(shù)有關(guān)的常數(shù),對于英飛凌的此類功率MOSFET,可以采用0.4作為常數(shù)值。如果需要快速的估算,可以粗略認(rèn)為:在最高結(jié)溫下的 通態(tài)電阻是室溫下通態(tài)電阻的2倍。下表的曲線給出了隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系。
:定義了MOSFET的源級和漏級的最大能購承受的直流電壓。在數(shù)據(jù)表中,此參數(shù)都會在數(shù)據(jù)表的首頁給出。注意給出的值是在室溫下的值。
此外,數(shù)據(jù)表中還會給出在全溫范圍內(nèi)(-55 C…+175 C) 隨著溫度變化的曲線。
從上表中可以看出,是隨著溫度變化的,所以在設(shè)計中要注意在極限溫度下的 仍然能夠滿足系統(tǒng)電源對 的要求。
Qgs:數(shù)據(jù)表中給出了為了使功率MOSFET導(dǎo)通時在給定了的Vds電壓下,當(dāng)Qgs變化時的柵級電荷變化的曲線。從圖表中可以看出,為了使MOSFET完全導(dǎo)通,Qgs的典型值約等于10V,由于器件完全導(dǎo)通,可以減少器件的靜態(tài)損耗。
Vgs:描述了在指定了漏級電流下需要的柵源電壓。數(shù)據(jù)表中給出的是在室溫下,當(dāng)Vds= Vgs時,漏極電流在微安等級時的Vgs電壓。數(shù)據(jù)表中給出了最小值、典型值和最大值。
需要注意的是,在同樣的漏極電流下,Vgs電壓會隨著結(jié)溫的升高而減小。在高結(jié)溫的情況下,漏極電流已經(jīng)接近達(dá)到了Idss (漏極電流)。為此,數(shù)據(jù)表中還會給出一條比常溫下指定電流大10倍的漏極電流曲線作為設(shè)計參考。如下圖所示。
以上介紹了在功率MOSFET數(shù)據(jù)表中最為設(shè)計者關(guān)心的基本參數(shù)、、Qgs、和Vgs。
為了更深入的理解功率MOSFET的其它一些參數(shù),本文仍然選用英飛凌公司的功率MOSFET為例,型號為IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T)。為了使每個參數(shù)的說明更具備直觀性和易于理解,所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的。下面就對這些參數(shù)做逐一的介紹。
如果需要更好的理解功率MOSFET,則需要了解更多的一些參數(shù),這些參數(shù)對于設(shè)計都是十分必要和有用的。這些參數(shù)是ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、和EAS。
ID:定義了在室溫下漏級可以長期工作的電流。需要注意的是,這個ID電流的是在Vgs在給定電壓下,TC=25℃下的ID電流值。
ID的大小可以由以下的公式計算:
以IPD90N06S4-04為例,計算出的結(jié)果等于169A。為何在數(shù)據(jù)表上只標(biāo)注90A呢?這是因為最大的電流受限于封裝腳位與焊線直徑,在數(shù)據(jù)表的注釋1)中可以看到詳細(xì)的解釋。如下表所示:
此外,數(shù)據(jù)表中還給出了ID和結(jié)溫之間的曲線關(guān)系。從下表中可以看出,當(dāng)環(huán)境溫度升高時, ID會隨著溫度而變化。在最差的情況下,需要考慮在最大環(huán)境溫度下的ID的電流仍然滿足電路設(shè)計的正常電流的要求。
Rthjc:溫阻是對設(shè)計者需要非常關(guān)注的設(shè)計參數(shù),特別是當(dāng)需要計算功率MOSFET在單脈沖和不同占空比時的功率損耗時,就需要查看這個數(shù)據(jù)表來進(jìn)行設(shè)計估算。筆者將在如何用數(shù)據(jù)表來進(jìn)行設(shè)計估算中來具體解釋。
SOA:功率MOSFET的過載能力較低,為了保證器件安全工作,具有較高的穩(wěn)定性和較長的壽命,對器件承受的電流、電壓、和功率有一定的限制。把這種限制用Uds-Id坐標(biāo)平面表示,便構(gòu)成功率MOSFET的安全工作區(qū) (Safe OperaTIng Area,縮稱SOA)。同一種器件,其SOA的大小與偏置電壓、冷卻條件、和開關(guān)方式等都有關(guān)系。如果要細(xì)分SOA,還有二種分法。按柵極偏置分為正偏置SOA和反偏置SOA;按信號占空比來分為直流SOA、單脈沖SOA、和重復(fù)脈沖SOA。
功率MOSFET在開通過程及穩(wěn)定導(dǎo)通時必須保持柵極的正確偏置,正偏置SOA是器件處于通態(tài)下容許的工作范圍;相反,當(dāng)關(guān)斷器件時,為了提高關(guān)斷速度和可靠性,需要使柵極處于反偏置,所以反偏置SOA是器件關(guān)斷時容許的工作范圍。
直流SOA相當(dāng)于占空比->1是的工作條件;單脈沖SOA則對應(yīng)于占空比-> 0時的工作條件;重復(fù)脈沖SOA對應(yīng)于占空比在0 < D < 1時的工作條件。從數(shù)據(jù)表上可以看出:單脈沖SOA最大,重復(fù)脈沖SOA次之,直流SOA最窄。
Transfer Curve:是用圖表的方式表達(dá)出ID和Vgs的函數(shù)關(guān)系。廠商會給出在不同環(huán)境溫度下的三條曲線。通常這三條曲線都會相交與一點(diǎn),這個點(diǎn)叫做溫度穩(wěn)定點(diǎn)。
如果加在MOSFET的Vgs低于溫度穩(wěn)定點(diǎn)(在IPD90N06S4-04中是Vgs<6.2V),此時的MOSFET是正溫度系數(shù)的,就是說,ID的電流是隨著結(jié)溫同時增加的。在設(shè)計中,當(dāng)應(yīng)用在大電流的設(shè)計中時,應(yīng)避免使功率MOSFET工作在在正溫度系數(shù)區(qū)域。
當(dāng)Vgs超過溫度穩(wěn)定點(diǎn)(在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V), MOSFET是正溫度系數(shù)的, 就是說,ID的電流是隨著結(jié)溫的增加是減少的。這在實(shí)際應(yīng)用中是一個非常好的特性,特別是是在大電流的設(shè)計應(yīng)用中時,這個特性會幫助功率MOSFET通過減少ID電流來減少結(jié)溫的增加。
EAS: 為了了解在雪崩電流情況下功率MOSFET的工作情況,數(shù)據(jù)表中給出了雪崩電流和時間對應(yīng)的曲線,這個曲線上可以讀出在相應(yīng)的雪崩電流下,功率MOSFET在不損壞的情況下能夠承受的時間。對于同樣的雪崩能量,如果雪崩電流減少,能夠承受的時間會變長,反之亦然。環(huán)境溫度對于雪崩電流的等級也有影響,當(dāng)環(huán)境溫度升高時,由于收到最大結(jié)溫的限制,能夠承受的雪崩電流會減少。
數(shù)據(jù)表中給出了功率MOSFET能夠承受的雪崩能量的值。在次例子中,室溫下的EAS=331mJ
上表給出的只是在室溫下的EAS,在設(shè)計中還需要用到在不同環(huán)境溫度下的EAS,廠商在數(shù)據(jù)表中也會給出,如下圖所示。