深入理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表

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(jì)者更好的使用功率MOSFET進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　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(duì)于前者,在任何情況下都不能超過，否則器件將永久損害;對(duì)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(cè)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(jì)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(jí)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(gè)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(hào)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(duì)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(gè)值的測(cè)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(gè)特性，當(dāng)單個(gè)功率MOSFET的電流容量不夠時(shí)，可以采用多個(gè)同類型的功率MOSFET并聯(lián)來進(jìn)行擴(kuò)流。

　　如果需要計(jì)算在指定溫度下的，可以采用以下的計(jì)算公式。

　　上式中 為與工藝技術(shù)有關(guān)的常數(shù)，對(duì)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(jí)和漏級(jí)的最大能購(gòu)承受的直流電壓。在數(shù)據(jù)表中,此參數(shù)都會(huì)在數(shù)據(jù)表的首頁(yè)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(huì)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(jì)中要注意在極限溫度下的 仍然能夠滿足系統(tǒng)電源對(duì) 的要求。

　　Qgs：數(shù)據(jù)表中給出了為了使功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)在給定了的Vds電壓下，當(dāng)Qgs變化時(shí)的柵級(jí)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(jí)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(shí)，漏極電流在微安等級(jí)時(shí)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(huì)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(huì)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(jì)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(jì)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(hào)為IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T)。為了使每個(gè)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(duì)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(duì)于設(shè)計(jì)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(jí)可以長(zhǎng)期工作的電流。需要注意的是，這個(gè)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(jì)算：

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　　以IPD90N06S4-04為例，計(jì)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?yàn)樽畲蟮碾娏魇芟抻诜庋b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(shí),  ID會(huì)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(jì)的正常電流的要求。

Rthjc：溫阻是對(duì)設(shè)計(jì)者需要非常關(guān)注的設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是當(dāng)需要計(jì)算功率MOSFET在單脈沖和不同占空比時(shí)的功率損耗時(shí)，就需要查看這個(gè)數(shù)據(jù)表來進(jìn)行設(shè)計(jì)估算。筆者將在如何用數(shù)據(jù)表來進(jìn)行設(shè)計(jì)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(zhǎng)的壽命，對(duì)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(hào)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(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)應(yīng)于占空比－> 0時(shí)的工作條件；重復(fù)脈沖SOA對(duì)應(yīng)于占空比在0 < D < 1時(shí)的工作條件。從數(shù)據(jù)表上可以看出：?jiǎn)蚊}沖SOA最大，重復(fù)脈沖SOA次之，直流SOA最窄。

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　　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(huì)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(huì)相交與一點(diǎn)，這個(gè)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(shí)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(shí)增加的。在設(shè)計(jì)中，當(dāng)應(yīng)用在大電流的設(shè)計(jì)中時(shí)，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(gè)非常好的特性，特別是是在大電流的設(shè)計(jì)應(yīng)用中時(shí)，這個(gè)特性會(huì)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(shí)間對(duì)應(yīng)的曲線，這個(gè)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(shí)間。對(duì)于同樣的雪崩能量，如果雪崩電流減少，能夠承受的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，反之亦然。環(huán)境溫度對(duì)于雪崩電流的等級(jí)也有影響，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，由于收到最大結(jié)溫的限制，能夠承受的雪崩電流會(huì)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(jì)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(huì)給出，如下圖所示。