看完這篇，請不要再說不懂MOSFET?。ㄎ哪┯畜@喜）

01

認識功率器件

1.1 功率半導體器件在工業(yè) 、消費 、軍事等領(lǐng)域都有著廣泛應用 ，具有很高的戰(zhàn)略地位，下面我們從一張圖看功率器件的全貌：

1.2 功率半導體器件又可根據(jù)對電路信號的控程度分為全型 、半控型及不可；或按驅(qū)動電路信號 性質(zhì)分為電壓驅(qū)動型 、電流驅(qū)動型等劃分類別 電流驅(qū)動型等劃分類別 電流驅(qū)動型等劃分類別 。

1.3 不同功率半導體器件 ，其承受電壓 、電流容量 、阻抗能力 、體積大小等特性也會不同 ，實際使用中 ， 需要根據(jù)不同領(lǐng)域 、不同需求來選用合適的器件。

1.4 半導體行業(yè)從誕生至今 ，先后經(jīng)歷了三代材料的變更程 ，截至目前 ，功率半導體器件領(lǐng)域仍主要采 用以 Si 為代表的第一半導體材料 。

1.5 匯總下半控型和全控型功率器件的特性

02

認識MOSFET

2.1 MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好；制造工藝簡單、輻射強，因而通常被用于放大電路或開關(guān)電路；

（1）主要選型參數(shù)：漏源電壓VDS（耐壓），ID 連續(xù)漏電流，RDS(on) 導通電阻，Ciss 輸入電容（結(jié)電容），品質(zhì)因數(shù)FOM=Ron * Qg等。
（2）根據(jù)不同的工藝又分為
Trench MOS：溝槽型MOS，主要低壓領(lǐng)域100V內(nèi)；SGT (Split Gate)MOS：分裂柵MOS，主要中低壓領(lǐng)域200V內(nèi)；SJ MOS：超結(jié)MOS，主要在高壓領(lǐng)域  600-800V；
在開關(guān)電源中，如漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理（詳細請關(guān)注作者其他MOS詳解）。

2.2 從市場份額看，MOSFET幾乎都集中在國際大廠手中，其中英飛凌2015年收購了IR（美國國際整流器公司）成為行業(yè)龍頭，安森美也在2016年9月完成對仙童半導體的收購后，市占率躍升至第二，然后銷售排名分別是瑞薩、東芝、萬國、ST、威世、安世、美格納等等；
與活躍于中國大陸的國際廠商相比，國產(chǎn)企業(yè)優(yōu)勢不明顯，但這不能說國產(chǎn)沒有機會，中國大陸是世界上產(chǎn)業(yè)鏈最齊全的經(jīng)濟活躍區(qū)，在功率半導體領(lǐng)域活躍著一批本土制造企業(yè)，目前已基本完成產(chǎn)業(yè)鏈布局，且處于快速發(fā)展中；特別是MOSFET領(lǐng)域，國產(chǎn)在中低壓領(lǐng)域替換進口品牌潛力最大，且部分國產(chǎn)、如士蘭、華潤微（中航）、吉林華微等都在努力進入世界排名；

03

主流MOS管品牌

3.1 MOS管分為幾大系列：美系、日系、韓系、國產(chǎn)。

美系：英飛凌、IR，仙童，安森美，ST，TI ，PI，AOS美國萬代半導體等；

日系：東芝，瑞薩，ROHM羅姆等；

韓系：美格納，KEC，AUK，森名浩，信安，KIA

國產(chǎn)：吉林華微電子股份有限公司，揚州揚杰電子科技股份有限公司，

杭州士蘭微電子股份有限公司，華潤微電子（重慶）有限公司，無錫新潔能，西安后裔，深圳銳俊半導體，無錫華潤華晶微電子有限公司，江蘇東晨電子科技有限公司（前身東光微），東微半導體，威兆半導體，蘇州硅能，無錫市芯途半導體有限公司

國產(chǎn)臺系：ANPEC，CET，友順UTC

04

MOS管封裝分類

按照安裝在PCB板上的方式來劃分，MOS管封裝主要有兩大類：插入式(Through Hole)和表面貼裝式(Surface Mount)。

插入式就是MOSFET的管腳穿過PCB板的安裝孔并焊接在PCB板上。常見的插入式封裝有：雙列直插式封裝(DIP)、晶體管外形封裝(TO)、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA)三種樣式。 

插入式封裝 

表面貼裝則是MOSFET的管腳及散熱法蘭焊接在PCB板表面的焊盤上。典型表面貼裝式封裝有：晶體管外形(D-PAK)、小外形晶體管(SOT)、小外形封裝(SOP)、方形扁平式封裝(QFP)、塑封有引線芯片載體(PLCC)等。 

表面貼裝式封裝 

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前主板、顯卡等的PCB板采用直插式封裝方式的越來越少，更多地選用了表面貼裝式封裝方式。

1、雙列直插式封裝(DIP) 

DIP封裝有兩排引腳，需要插入到具有DIP結(jié)構(gòu)的芯片插座上，其派生方式為SDIP(Shrink DIP)，即緊縮雙入線封裝，較DIP的針腳密度高6倍。

DIP封裝結(jié)構(gòu)形式有：多層陶瓷雙列直插式DIP、單層陶瓷雙列直插式DIP、引線框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式、塑料包封結(jié)構(gòu)式、陶瓷低熔玻璃封裝式)等。DIP封裝的特點是可以很方便地實現(xiàn)PCB板的穿孔焊接，和主板有很好的兼容性。

但由于其封裝面積和厚度都比較大，而且引腳在插拔過程中很容易被損壞，可靠性較差;同時由于受工藝的影響，引腳一般都不超過100個，因此在電子產(chǎn)業(yè)高度集成化過程中，DIP封裝逐漸退出了歷史舞臺。

2、晶體管外形封裝(TO) 

屬于早期的封裝規(guī)格，例如TO-3P、TO-247、TO-92、TO-92L、TO-220、TO-220F、TO-251等都是插入式封裝設計。

TO-3P/247：是中高壓、大電流MOS管常用的封裝形式，產(chǎn)品具有耐壓高、抗擊穿能力強等特點。

TO-220/220F：TO-220F是全塑封裝，裝到散熱器上時不必加絕緣墊;TO-220帶金屬片與中間腳相連，裝散熱器時要加絕緣墊。這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多，可以互換使用。

TO-251：該封裝產(chǎn)品主要是為了降低成本和縮小產(chǎn)品體積，主要應用于中壓大電流60A以下、高壓7N以下環(huán)境中。

TO-92：該封裝只有低壓MOS管(電流10A以下、耐壓值60V以下)和高壓1N60/65在采用，目的是降低成本。

近年來，由于插入式封裝工藝焊接成本高、散熱性能也不如貼片式產(chǎn)品，使得表面貼裝市場需求量不斷增大，也使得TO封裝發(fā)展到表面貼裝式封裝。TO-252(又稱之為D-PAK)和TO-263(D2PAK)就是表面貼裝封裝。

TO封裝產(chǎn)品外觀

TO252/D-PAK是一種塑封貼片封裝，常用于功率晶體管、穩(wěn)壓芯片的封裝，是目前主流封裝之一。

采用該封裝方式的MOSFET有3個電極，柵極(G)、漏極(D)、源極(S)。

其中漏極(D)的引腳被剪斷不用，而是使用背面的散熱板作漏極(D)，直接焊接在PCB上，一方面用于輸出大電流，一方面通過PCB散熱;所以PCB的D-PAK焊盤有三處，漏極(D)焊盤較大。其封裝規(guī)范如下：

TO-252/D-PAK封裝尺寸規(guī)格

TO-263是TO-220的一個變種，主要是為了提高生產(chǎn)效率和散熱而設計，支持極高的電流和電壓，在150A以下、30V以上的中壓大電流MOS管中較為多見。

除了D2PAK(TO-263AB)之外，還包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等樣式，與TO-263為從屬關(guān)系，主要是引出腳數(shù)量和距離不同。 

TO-263/D2PAK封裝尺寸規(guī)格

3、插針網(wǎng)格陣列封裝(PGA) 

PGA(Pin Grid Array Package)芯片內(nèi)外有多個方陣形的插針，每個方陣形插針沿芯片的四周間隔一定距離排列，根據(jù)管腳數(shù)目的多少，可以圍成2～5圈。安裝時，將芯片插入專門的PGA插座即可，具有插拔方便且可靠性高的優(yōu)勢，能適應更高的頻率。 

PGA封裝樣式

其芯片基板多數(shù)為陶瓷材質(zhì)，也有部分采用特制的塑料樹脂來做基板，在工藝上，引腳中心距通常為2.54mm，引腳數(shù)從64到447不等。

這種封裝的特點是，封裝面積(體積)越小，能夠承受的功耗(性能)就越低，反之則越高。這種封裝形式芯片在早期比較多見，且多用于CPU等大功耗產(chǎn)品的封裝，如英特爾的80486、Pentium均采用此封裝樣式;不大為MOS管廠家所采納。

4、小外形晶體管封裝(SOT) 

SOT(Small Out-Line Transistor)是貼片型小功率晶體管封裝，主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25(即SOT23-5)等，又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等類型，體積比TO封裝小。 

SOT封裝類型

SOT23是常用的三極管封裝形式，有3條翼形引腳，分別為集電極、發(fā)射極和基極，分別列于元件長邊兩側(cè)，其中，發(fā)射極和基極在同一側(cè)，常見于小功率晶體管、場效應管和帶電阻網(wǎng)絡的復合晶體管，強度好，但可焊性差，外形如下圖(a)所示。

SOT89具有3條短引腳，分布在晶體管的一側(cè)，另外一側(cè)為金屬散熱片，與基極相連，以增加散熱能力，常見于硅功率表面組裝晶體管，適用于較高功率的場合，外形如下圖(b)所示。

SOT143具有4條翼形短引腳，從兩側(cè)引出，引腳中寬度偏大的一端為集電極，這類封裝常見于高頻晶體管，外形如下圖(c)所示。

SOT252屬于大功率晶體管，3條引腳從一側(cè)引出，中間一條引腳較短，為集電極，與另一端較大的引腳相連，該引腳為散熱作用的銅片，外形如下圖(d)所示。 

常見SOT封裝外形比較

主板上常用四端引腳的SOT-89 MOSFET。其規(guī)格尺寸如下：

SOT-89 MOSFET尺寸規(guī)格(單位：mm)

5、小外形封裝(SOP) 

SOP(Small Out-Line Package)是表面貼裝型封裝之一，也稱之為SOL或DFP，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。

SOP封裝標準有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等，SOP后面的數(shù)字表示引腳數(shù)。MOSFET的SOP封裝多數(shù)采用SOP-8規(guī)格，業(yè)界往往把“P”省略，簡寫為SO(Small Out-Line)。

SOP-8封裝尺寸

SO-8為PHILIP公司率先開發(fā)，采用塑料封裝，沒有散熱底板，散熱不良，一般用于小功率MOSFET。

后逐漸派生出TSOP(薄小外形封裝)、VSOP(甚小外形封裝)、SSOP(縮小型SOP)、TSSOP(薄的縮小型SOP)等標準規(guī)格;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封裝。 

常用于MOS管的SOP派生規(guī)格

6、方形扁平式封裝(QFP) 

QFP(Plastic Quad Flat Package)封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細，一般在大規(guī)模或超大型集成電路中采用，其引腳數(shù)一般在100個以上。

用這種形式封裝的芯片必須采用SMT表面安裝技術(shù)將芯片與主板焊接起來。該封裝方式具有四大特點： 

與PGA封裝方式一樣，該封裝方式將芯片包裹在塑封體內(nèi)，無法將芯片工作時產(chǎn)生的熱量及時導出，制約了MOSFET性能的提升;而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半導體向輕、薄、短、小方向發(fā)展的要求;另外，此類封裝方式是基于單顆芯片進行，存在生產(chǎn)效率低、封裝成本高的問題。

因此，QFP更適于微處理器/門陳列等數(shù)字邏輯LSI電路采用，也適于VTR信號處理、音響信號處理等模擬LSI電路產(chǎn)品封裝。

7、四邊無引線扁平封裝(QFN) 

QFN(Quad Flat Non-leaded package)封裝四邊配置有電極接點，由于無引線，貼裝表現(xiàn)出面積比QFP小、高度比QFP低的特點;其中陶瓷QFN也稱為LCC(Leadless Chip Carriers)，采用玻璃環(huán)氧樹脂印刷基板基材的低成本塑料QFN則稱為塑料LCC、PCLC、P-LCC等。

是一種焊盤尺寸小、體積小、以塑料作為密封材料的新興表面貼裝芯片封裝技術(shù)。

QFN主要用于集成電路封裝，MOSFET不會采用。不過因Intel提出整合驅(qū)動與MOSFET方案，而推出了采用QFN-56封裝(“56”指芯片背面有56個連接Pin)的DrMOS。

需要說明的是，QFN封裝與超薄小外形封裝(TSSOP)具有相同的外引線配置，而其尺寸卻比TSSOP的小62%。根據(jù)QFN建模數(shù)據(jù)，其熱性能比TSSOP封裝提高了55%，電性能(電感和電容)比TSSOP封裝分別提高了60%和30%。最大的缺點則是返修難度高。

采用QFN-56封裝的DrMOS

傳統(tǒng)的分立式DC/DC降壓開關(guān)電源無法滿足對更高功耗密度的要求，也不能解決高開關(guān)頻率下的寄生參數(shù)影響問題。

隨著技術(shù)的革新與進步，把驅(qū)動器和MOSFET整合在一起，構(gòu)建多芯片模塊已經(jīng)成為了現(xiàn)實，這種整合方式同時可以節(jié)省相當可觀的空間從而提升功耗密度，通過對驅(qū)動器和MOS管的優(yōu)化提高電能效率和優(yōu)質(zhì)DC電流，這就是整合驅(qū)動IC的DrMOS。 

瑞薩第2代DrMOS

經(jīng)過QFN-56無腳封裝，讓DrMOS熱阻抗很低;借助內(nèi)部引線鍵合以及銅夾帶設計，可最大程度減少外部PCB布線，從而降低電感和電阻。

另外，采用的深溝道硅(trench silicon)MOSFET工藝，還能顯著降低傳導、開關(guān)和柵極電荷損耗;并能兼容多種控制器，可實現(xiàn)不同的工作模式，支持主動相變換模式APS(Auto Phase Switching)。

除了QFN封裝外，雙邊扁平無引腳封裝(DFN)也是一種新的電子封裝工藝，在安森美的各種元器件中得到了廣泛采用，與QFN相比，DFN少了兩邊的引出電極。

8、塑封有引線芯片載體(PLCC) 

PLCC(Plastic Quad Flat Package)外形呈正方形，尺寸比DIP封裝小得多，有32個引腳，四周都有管腳，引腳從封裝的四個側(cè)面引出，呈丁字形，是塑料制品。

其引腳中心距1.27mm，引腳數(shù)從18到84不等，J形引腳不易變形，比QFP容易操作，但焊接后的外觀檢查較為困難。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點。

PLCC封裝是比較常見，用于邏輯LSI、DLD(或程邏輯器件)等電路，主板BIOS常采用的這種封裝形式，不過目前在MOS管中較少見。 

PLCC封裝樣式

主流企業(yè)的封裝與改進 

由于CPU的低電壓、大電流的發(fā)展趨勢，對MOSFET提出輸出電流大，導通電阻低，發(fā)熱量低散熱快，體積小的要求。MOSFET廠商除了改進芯片生產(chǎn)技術(shù)和工藝外，也不斷改進封裝技術(shù)，在與標準外形規(guī)格兼容的基礎(chǔ)上，提出新的封裝外形，并為自己研發(fā)的新封裝注冊商標名稱。

1、瑞薩(RENESAS)WPAK、LFPAK和LFPAK-I封裝

WPAK是瑞薩開發(fā)的一種高熱輻射封裝，通過仿D-PAK封裝那樣把芯片散熱板焊接在主板上，通過主板散熱，使小形封裝的WPAK也可以達到D-PAK的輸出電流。WPAK-D2封裝了高/低2顆MOSFET，減小布線電感。 

瑞薩WPAK封裝尺寸

LFPAK和LFPAK-I是瑞薩開發(fā)的另外2種與SO-8兼容的小形封裝。LFPAK類似D-PAK，但比D-PAK體積小。LFPAK-i是將散熱板向上，通過散熱片散熱。 

瑞薩LFPAK和LFPAK-I封裝

2、威世(Vishay)Power-PAK和Polar-PAK封裝

Power-PAK是威世公司注冊的MOSFET封裝名稱。Power-PAK包括有Power-PAK1212-8、Power-PAK SO-8兩種規(guī)格。 

威世Power-PAK1212-8封裝 

威世Power-PAK SO-8封裝

Polar PAK是雙面散熱的小形封裝，也是威世核心封裝技術(shù)之一。Polar PAK與普通的so-8封裝相同，其在封裝的上、下兩面均設計了散熱點，封裝內(nèi)部不易蓄熱，能夠?qū)⒐ぷ麟娏鞯碾娏髅芏忍岣咧罶O-8的2倍。目前威世已向意法半導體公司提供Polar PAK技術(shù)授權(quán)。  

威世Polar PAK封裝

3、安森美(Onsemi)SO-8和WDFN8扁平引腳(Flat Lead)封裝 

安美森半導體開發(fā)了2種扁平引腳的MOSFET，其中SO-8兼容的扁平引腳被很多板卡采用。安森美新近推出的NVMx和NVTx功率MOSFET就采用了緊湊型DFN5(SO-8FL)和WDFN8封裝，可最大限度地降低導通損耗，另外還具有低QG和電容，可將驅(qū)動器損耗降到最低的特性。 

安森美SO-8扁平引腳封裝 

安森美WDFN8封裝

4、恩智浦(NXP)LFPAK和QLPAK封裝 

恩智浦(原Philps)對SO-8封裝技術(shù)改進為LFPAK和QLPAK。其中LFPAK被認為是世界上高度可靠的功率SO-8封裝;而QLPAK具有體積小、散熱效率更高的特點，與普通SO-8相比，QLPAK占用PCB板的面積為6*5mm，同時熱阻為1.5k/W。 

恩智浦LFPAK封裝

恩智浦QLPAK封裝

5、意法(ST)半導體PowerSO-8封裝

意法半導體功率MOSFET芯片封裝技術(shù)有SO-8、PowerSO-8、PowerFLAT、DirectFET、PolarPAK等，其中PowerSO-8正是SO-8的改進版，此外還有PowerSO-10、PowerSO-20、TO-220FP、H2PAK-2等封裝。 

意法半導體Power SO-8封裝

6、飛兆(Fairchild)半導體Power 56封裝

Power 56是Farichild的專用稱呼，正式名稱為DFN 5×6。其封裝面積跟常用的TSOP-8不相上下，而薄型封裝又節(jié)約元件凈空高度，底部Thermal-Pad設計降低了熱阻，因此很多功率器件廠商都部署了DFN 5×6。

Fairchild Power 56封裝

7、國際整流器(IR)Direct FET封裝 

Direct FET能在SO-8或更小占位面積上，提供高效的上部散熱，適用于計算機、筆記本電腦、電信和消費電子設備的AC-DC及DC-DC功率轉(zhuǎn)換應用。與標準塑料分立封裝相比，DirectFET的金屬罐構(gòu)造具有雙面散熱功能，因而可有效將高頻DC-DC降壓式轉(zhuǎn)換器的電流處理能力增加一倍。

Direct FET封裝屬于反裝型，漏極(D)的散熱板朝上，并覆蓋金屬外殼，通過金屬外殼散熱。Direct FET封裝極大地改善了散熱，并且占用空間更小，散熱良好。 

國際整流器Direct FET封裝 

IR Direct FET封裝系列部分產(chǎn)品規(guī)格

內(nèi)部封裝改進方向 

除了外部封裝，基于電子制造對MOS管的需求的變化，內(nèi)部封裝技術(shù)也在不斷得到改進，這主要從三個方面進行：改進封裝內(nèi)部的互連技術(shù)、增加漏極散熱板、改變散熱的熱傳導方向。

1、封裝內(nèi)部的互連技術(shù) 

TO、D-PAK、SOT、SOP等采用焊線式的內(nèi)部互連封裝技術(shù)，當CPU或GPU供電發(fā)展到低電壓、大電流時代，焊線式的SO-8封裝就受到了封裝電阻、封裝電感、PN結(jié)到PCB和外殼熱阻等因素的限制。 

SO-8內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)

這四種限制對其電學和熱學性能有著極大的影響。隨著電流密度的提高，MOSFET廠商在采用SO-8尺寸規(guī)格時，同步對焊線互連形式進行了改進，用金屬帶、或金屬夾板代替焊線，以降低封裝電阻、電感和熱阻。

標準型SO-8與無導線SO-8封裝對比

國際整流器(IR)的改進技術(shù)稱之為Copper Strap;威世(Vishay)稱之為Power Connect技術(shù);飛兆半導體則叫做Wireless Package。新技術(shù)采用銅帶取代焊線后，熱阻降低了10-20%，源極至封裝的電阻降低了61%。 

國際整流器的Copper Strap技術(shù) 

威世的Power Connect技術(shù) 

飛兆半導體的Wirless Package技術(shù)

2、增加漏極散熱板 

標準的SO-8封裝采用塑料將芯片包圍，低熱阻的熱傳導通路只是芯片到PCB的引腳。而底部緊貼PCB的塑料外殼是熱的不良導體，故而影響了漏極的散熱。

技術(shù)改進就是要除去引線框下方的塑封化合物，方法是讓引線框金屬結(jié)構(gòu)直接或加一層金屬板與PCB接觸，并焊接到PCB焊盤上，這樣就提供了更多的散熱接觸面積，把熱量從芯片上帶走;同時也可以制成更薄的器件。 

威世Power-PAK技術(shù)

威世的Power-PAK、法意半導體的Power SO-8、安美森半導體的SO-8 Flat Lead、瑞薩的WPAK/LFPAK、飛兆半導體的Power 56和Bottomless Package都采用了此散熱技術(shù)。

3、改變散熱的熱傳導方向 

Power-PAK的封裝雖然顯著減小了芯片到PCB的熱阻，但當電流需求繼續(xù)增大時，PCB同時會出現(xiàn)熱飽和現(xiàn)象。所以散熱技術(shù)的進一步改進就是改變散熱方向，讓芯片的熱量傳導到散熱器而不是PCB。 

瑞薩LFPAK-i封裝

瑞薩的LFPAK-I封裝、國際整流器的Direct FET封裝均是這種散熱技術(shù)的典型代表。

總結(jié) 

未來，隨著電子制造業(yè)繼續(xù)朝著超薄、小型化、低電壓、大電流方向的發(fā)展，MOS管的外形及內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)也會隨之改變，以更好適應制造業(yè)的發(fā)展需求。另外，為降低電子制造商的選用門檻，MOS管向模塊化、系統(tǒng)級封裝方向發(fā)展的趨勢也將越來越明顯，產(chǎn)品將從性能、成本等多維度協(xié)調(diào)發(fā)展。

而封裝作為MOS管選型的重要參考因素之一，不同的電子產(chǎn)品有不同的電性要求，不同的安裝環(huán)境也需要匹配的尺寸規(guī)格來滿足。實際選用中，應在大原則下，根據(jù)實際需求情況來做抉擇。

有些電子系統(tǒng)受制于PCB的尺寸和內(nèi)部的高度，如通信系統(tǒng)的模塊電源由于高度的限制通常采用DFN5*6、DFN3*3的封裝;在有些ACDC的電源中，使用超薄設計或由于外殼的限制，適于裝配TO220封裝的功率MOS管，此時引腳可直接插到根部，而不適于使用TO247封裝的產(chǎn)品;也有些超薄設計需要將器件管腳折彎平放，這會加大MOS管選用的復雜度。

05

如何選取MOSFET

一位工程師曾經(jīng)對我講，他從來不看MOSFET數(shù)據(jù)表的第一頁，因為“實用”的信息只在第二頁以后才出現(xiàn)。事實上，MOSFET數(shù)據(jù)表上的每一頁都包含有對設計者非常有價值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀制造商提供的數(shù)據(jù)。本文概括了一些MOSFET的關(guān)鍵指標，這些指標在數(shù)據(jù)表上是如何表述的，以及你理解這些指標所要用到的清晰圖片。像大多數(shù)電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點是了解測試條件，所提到的指標是在這些條件下應用的。還有很關(guān)鍵的一點是弄明白你在“產(chǎn)品簡介”里看到的這些指標是“最大”或是“典型”值，因為有些數(shù)據(jù)表并沒有說清楚。

電壓等級 

確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在250μA情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為“25℃下的絕對最高電壓”，但是一定要記住，這個絕對電壓與溫度有關(guān)，而且數(shù)據(jù)表里通常有一個“VDS溫度系數(shù)”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路里存在的任何電壓尖峰和紋波。例如，如果你在電壓30V并帶有100mV、5ns尖峰的電源里使用30V器件，電壓就會超過器件的絕對最高限值，器件可能會進入雪崩模式。在這種情況下，MOSFET的可靠性沒法得到保證。

在高溫下，溫度系數(shù)會顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級的N溝道MOSFET的溫度系數(shù)是正的，在接近最高結(jié)溫時，溫度系數(shù)會讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設計規(guī)則要求10%～20%的降額因子。在一些設計里，考慮到實際的擊穿電壓比25℃下的額定數(shù)值要高5%~10%，會在實際設計中增加相應的有用設計裕量，對設計是很有利的。

對正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導通過程中柵源電壓VGS的作用。這個電壓是在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導通的電壓。這就是為什么導通電阻總是與VGS水平關(guān)聯(lián)在一起的原因，而且也是只有在這個電壓下才能保證器件導通。一個重要的設計結(jié)果是，你不能用比用于達到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓，來使MOSFET完全導通。例如，用3.3V微控制器驅(qū)動MOSFET完全導通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠?qū)ǖ腗OSFET。

導通電阻，柵極電荷，以及“優(yōu)值系數(shù)” 

MOSFET的導通電阻總是在一個或多個柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數(shù)值高20%～50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃結(jié)溫下的數(shù)值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%，如圖1所示。由于RDS(on)隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據(jù)RDS(on)來檢測電流不是很準確的方法。 

圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%～150%這個范圍內(nèi)隨溫度增加而增加

導通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關(guān)電源中，Qg是用在開關(guān)電源里的N溝道MOSFET的關(guān)鍵選擇標準，因為Qg會影響開關(guān)損耗。這些損耗有兩個方面影響：一個是影響MOSFET導通和關(guān)閉的轉(zhuǎn)換時間；另一個是每次開關(guān)過程中對柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點是，Qg取決于柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開關(guān)損耗。 

作為一種快速比較準備用在開關(guān)應用里MOSFET的方式，設計者經(jīng)常使用一個單數(shù)公式，公式包括表示傳導損耗RDS(on)及表示開關(guān)損耗的Qg：RDS(on) xQg。這個“優(yōu)值系數(shù)”(FOM)總結(jié)了器件的性能，可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進行準確的比較，你需要確定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示里典型值和最大值沒有碰巧混在一起。較低的FOM能讓你在開關(guān)應用里獲得更好的性能，但是不能保證這一點。只有在實際的電路里才能獲得最好的比較結(jié)果，在某些情況下可能需要針對每個MOSFET對電路進行微調(diào)。 

額定電流和功率耗散

基于不同的測試條件，大多數(shù)MOSFET在數(shù)據(jù)表里都有一個或多個的連續(xù)漏極電流。你要仔細看看數(shù)據(jù)表，搞清楚這個額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃)，或是環(huán)境溫度(比如TA = 25℃)。這些數(shù)值當中哪些是最相關(guān)將取決于器件的特性和應用(見圖2)。 

圖2  全部絕對最大電流和功率數(shù)值都是真實的數(shù)據(jù) 

對于用在手持設備里的小型表面貼裝器件，關(guān)聯(lián)度最高的電流等級可能是在70℃環(huán)境溫度下的電流，對于有散熱片和強制風冷的大型設備，在TA = 25℃下的電流等級可能更接近實際情況。對于某些器件來說，管芯在其最高結(jié)溫下能夠處理的電流要高于封裝所限定的電流水平，在一些數(shù)據(jù)表，這種“管芯限定”的電流等級是對“封裝限定”電流等級的額外補充信息，可以讓你了解管芯的魯棒性。

對于連續(xù)的功率耗散也要考慮類似的情況，功耗耗散不僅取決于溫度，而且取決于導通時間。設想一個器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續(xù)工作10秒鐘。構(gòu)成“連續(xù)”時間周期的因素會根據(jù)MOSFET封裝而變化，所以你要使用數(shù)據(jù)表里的標準化熱瞬態(tài)阻抗圖，看經(jīng)過10秒、100秒或10分鐘后的功率耗散是什么樣的。如圖3所示，這個專用器件經(jīng)過10秒脈沖后的熱阻系數(shù)大約是0.33，這意味著經(jīng)過大約10分鐘后，一旦封裝達到熱飽和，器件的散熱能力只有1.33W而不是4W，盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達到2W左右。

圖3   MOSFET在施加功率脈沖情況下的熱阻

實際上，我們可以把MOSFET選型分成四個步驟。 

第一步：選用N溝道還是P溝道 

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到干線電壓上時，該MOSFET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MOSFET，這是出于對關(guān)閉或?qū)ㄆ骷桦妷旱目紤]。當MOSFET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MOSFET，這也是出于對電壓驅(qū)動的考慮?！　?/span>

要選擇適合應用的器件，必須確定驅(qū)動器件所需的電壓，以及在設計中最簡易執(zhí)行的方法。下一步是確定所需的額定電壓，或者器件所能承受的最大電壓。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MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大電壓會隨溫度而變化這點十分重要。設計人員必須在整個工作溫度范圍內(nèi)測試電壓的變化范圍。額定電壓必須有足夠的余量覆蓋這個變化范圍，確保電路不會失效。設計工程師需要考慮的其他安全因素包括由開關(guān)電子設備(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，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V、85～220VAC應用為450～600V。

第二步：確定額定電流　 

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結(jié)構(gòu)而定，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在系統(tǒng)產(chǎn)生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續(xù)模式和脈沖尖峰。在連續(xù)導通模式下，MOSFET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最大電流，只需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可?！　?/span> 

選好額定電流后，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET并不是理想的器件，因為在導電過程中會有電能損耗，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定，并隨溫度而顯著變化。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MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越??；反之RDS(ON)就會越高。對系統(tǒng)設計人員來說，這就是取決于系統(tǒng)電壓而需要折中權(quán)衡的地方。對便攜式設計來說，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?！　?/span>

技術(shù)對器件的特性有著重大影響，因為有些技術(shù)在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對于這樣的技術(shù)，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，從而增加與之配套的封裝尺寸及相關(guān)的開發(fā)成本。業(yè)界現(xiàn)有好幾種試圖控制晶片尺寸增加的技術(shù)，其中最主要的是溝道和電荷平衡技術(shù)?！　?/span>

在溝道技術(shù)中，晶片中嵌入了一個深溝，通常是為低電壓預留的，用于降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發(fā)過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發(fā)了稱為SuperFET的技術(shù)，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的制造步驟。

這種對RDS(ON)的關(guān)注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數(shù)級增加，并且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數(shù)關(guān)系變成了線性關(guān)系。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現(xiàn)理想的低RDS(ON)。結(jié)果是晶片尺寸可減小達35%。而對于最終用戶來說，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

第三步：確定熱要求　 

選擇MOSFET的下一步是計算系統(tǒng)的散熱要求。設計人員必須考慮兩種不同的情況，即最壞情況和真實情況。建議采用針對最壞情況的計算結(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MOSFET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，以及最大的結(jié)溫。　　

器件的結(jié)溫等于最大環(huán)境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結(jié)溫=最大環(huán)境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據(jù)這個方程可解出系統(tǒng)的最大功率耗散，即按定義相等于I2×RDS(ON)。由于設計人員已確定將要通過器件的最大電流，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時，設計人員還必須考慮半導體結(jié)/器件外殼及外殼/環(huán)境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫?！　?/span>

雪崩擊穿是指半導體器件上的反向電壓超過最大值，并形成強電場使器件內(nèi)電流增加。該電流將耗散功率，使器件的溫度升高，而且有可能損壞器件。半導體公司都會對器件進行雪崩測試，計算其雪崩電壓，或?qū)ζ骷姆€(wěn)健性進行測試。計算額定雪崩電壓有兩種方法；一是統(tǒng)計法，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測試的詳情，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網(wǎng)站去下載）。除計算外，技術(shù)對雪崩效應也有很大影響。例如，晶片尺寸的增加會提高抗雪崩能力，最終提高器件的穩(wěn)健性。對最終用戶而言，這意味著要在系統(tǒng)中采用更大的封裝件。

第四步：決定開關(guān)性能 

選擇MOSFET的最后一步是決定MOSFET的開關(guān)性能。影響開關(guān)性能的參數(shù)有很多，但最重要的是柵極/漏極、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產(chǎn)生開關(guān)損耗，因為在每次開關(guān)時都要對它們充電。MOSFET的開關(guān)速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關(guān)過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關(guān)閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關(guān)的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關(guān)頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關(guān)性能的影響最大。　　

基于開關(guān)性能的重要性，新的技術(shù)正在不斷開發(fā)以解決這個開關(guān)問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關(guān)損耗，新的技術(shù)如溝道厚底氧化已經(jīng)應運而生，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術(shù)就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導損耗和提高開關(guān)性能。這樣，MOSFET就能應對開關(guān)過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關(guān)頻率下可靠地工作。