理解功率 MOSFET 的電流

通常，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁，列出了連續(xù)漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后對于許多電子工程師來說，他們對于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統(tǒng)的闡述這些問題,并說明了在實(shí)際的應(yīng)用過程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。
    
連續(xù)漏極電流
連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對于功率MOSFET來說，通常連續(xù)漏極電流ID是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：

當(dāng)功率MOSFET流過最大的連續(xù)漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為PD：

因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計(jì)算公式：

  (1)
其中，RDS(ON)_TJ(max) 為在最大工作結(jié)溫TJ下，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻；通常，硅片允許的最大工作結(jié)溫為150℃。

需要說明的是：上述的電流是基于最大結(jié)溫的計(jì)算值；事實(shí)上，它還要受到封裝的限制。在數(shù)據(jù)表中，許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續(xù)漏極電流，而有些公司表示的是基于最大結(jié)溫的電流，那么它通常會在數(shù)據(jù)表注釋中進(jìn)行說明，并示出基于封裝限制的最大的連續(xù)漏極電流。

在公式（1）中，需要測量器件的熱阻RθJC，對于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測試的，通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝，如SOT23，SO8等，圖1中的RθJC通常要改變?yōu)镽θJL，RθJL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。

圖1 等效熱阻模型

功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對應(yīng)著一定的二極管的壓降，通常，二極管的壓降和溫度曲線需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

測試時(shí)，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過一定的電流，當(dāng)器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，測量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。

通過二極管的壓降和通過的電流，可以計(jì)算功耗；通過二極管的壓降可以查到結(jié)溫，根據(jù)功耗、結(jié)溫和器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，可以計(jì)算得到RθJC或RθJL。根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度，還可以計(jì)算得到RθJA。

特別強(qiáng)調(diào)的是，RθJC不是結(jié)到器件的塑料外殼溫度。RθJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測量的值，不是只靠器件本身單獨(dú)散熱時(shí)的測試值。實(shí)際的應(yīng)用中，通常RθJT+RθJA>>RθJC+RθCA，器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為：RθJA≈RθJC+RθCA

熱阻RθJC確定了，就可以用公式（1）計(jì)算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，相應(yīng)的ID的值也會降低。

裸露銅皮的封裝，使用RθJC或RθJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，通?？梢栽龃笊崞鳎岣咂骷ㄟ^電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用RθJL或RθJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要計(jì)算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再根據(jù)功耗和熱阻來校核結(jié)溫，保證其結(jié)溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。

上述計(jì)算過程中，ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來計(jì)算的，實(shí)際的ID還要受到封裝的影響，特別是底部具有裸露銅皮的封裝。

封裝限制通常是指連接線的電流處理能力。對于額定的連接線的電流限制，常用的方法是基于連接線的熔化溫度。當(dāng)連接線的溫度大于220℃時(shí)，會導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線的電阻的10倍以上，大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220℃,因此不會存在連接線的熔化問題。連接線的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會發(fā)生。

有裸露銅皮器件在封裝過程中硅片通過焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會使局部的連接電阻分布不均勻，通過連接線連接硅片的管腳，在連接線和硅片結(jié)合處會產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的連續(xù)漏極電流ID會小于數(shù)基于結(jié)溫計(jì)算的電流。

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基于封裝限制的電流是測試的實(shí)際工作的最大電流，因此，在數(shù)據(jù)表中，寄生二極管的電流通常也用這個(gè)值表示。
　
脈沖漏極電流
脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IDM，對于這個(gè)電流值，許多工程師不明白它是如何定義的。

通常，功率MOSFET也可以工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)。如果功率MOSFET穩(wěn)態(tài)工作在可變電阻區(qū)，此時(shí)，對應(yīng)的VGS的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大電流，因此在導(dǎo)通過程中，功率MOSFET要經(jīng)過Miller平臺區(qū)，此時(shí)Miller平臺區(qū)的VGS的電壓對應(yīng)著系統(tǒng)的最大電流。然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區(qū)，最后，VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動電壓，Miller平臺區(qū)的電壓和系統(tǒng)最大電流的關(guān)系必須滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。

也就是，對于某一個(gè)值的VGS1，在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為IDM1，器件不可能流過大于IDM1的電流，轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。

這也表明，數(shù)據(jù)表中功率MOSFET脈沖漏極電流額定值IDM對應(yīng)著器件允許的最大的VGS，在此條件下，器件工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)時(shí)，器件能夠通過的最大漏極電流，同樣，最大的VGS和IDM也要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。

另外，最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結(jié)溫的限制，IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下，功率MOSFET的結(jié)溫可能會超出范圍。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻，可以滿足最大結(jié)溫的限制。

因此IDM要滿足兩個(gè)條件：(1) 在一定的脈沖寬度下，基于功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測量值；(2)在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和最大結(jié)溫的計(jì)算值。數(shù)據(jù)表通常取二者中較小的一個(gè)。

功率MOSFET的數(shù)據(jù)表后面通常列出了瞬態(tài)的熱阻的等效圖。

因?yàn)閂GS限定的漏極的電流，單純的考慮IDM對于實(shí)際應(yīng)用沒有太多的參考價(jià)值，因?yàn)閷?shí)際的應(yīng)用中，柵極的驅(qū)動電壓通常小于最大的額定電壓。同樣的，在實(shí)際的柵極驅(qū)動電壓下，單純的考慮電流也沒有意義，而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。

IDM和實(shí)際的應(yīng)用最相關(guān)的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路，因此，在系統(tǒng)控制器的柵驅(qū)動電壓下，測試短路時(shí)最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。通常在設(shè)計(jì)過程中，使系統(tǒng)短路保護(hù)時(shí)間小于1/3～1/2的上述的持續(xù)時(shí)間，這樣才能使系統(tǒng)可靠。

事實(shí)上，對于大電流，在導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷的過程，由于芯片內(nèi)部的不平衡或其他一些至今還沒有理論可以解釋的原因，即使芯片沒有超過結(jié)溫，也會產(chǎn)生損壞。

因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，要盡量的使短路保護(hù)的時(shí)間短，以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖擊。具體方法就是減小短路保護(hù)回路的延時(shí)，中斷響應(yīng)的時(shí)間等。

在不同的柵級電壓下測量短路電流，測試波形如圖2所示，采用的功率MOSFET為AOT266。圖2(a)：VGS電壓為13V，短路電流達(dá)1000A，MOSFET在經(jīng)過47μs后電流失控而損壞；圖2(b)：VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經(jīng)過68μs后電流失控而損壞。電流測試使用了20:1的電流互感器，因此電流為200A/格。

圖2 AOT266短路測試波形

可以的看到，VGS =13V，最大電流為1000A，持續(xù)的時(shí)間為47μs；VGS =8V，最大電流為500A，持續(xù)的時(shí)間為68μs。

雪崩電流
雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET抗過壓沖擊的能力。在測試過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開通的時(shí)間增加，然后關(guān)斷，直到功率MOSFET損壞，對應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。

在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù)。一些功率MOSFET供應(yīng)商會對這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線上做100%全部檢測，因?yàn)橛薪殿~，因此不會損壞器件。

注意：測量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關(guān)狀態(tài)下，因此功率MOSFET不是工作在放大區(qū)，而是工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續(xù)的漏極電流值ID。

采用的電感值越大，雪崩電流值越小，但雪崩能量越大，生產(chǎn)線上需要測試時(shí)間越長，生產(chǎn)率越低。電感值太小，雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH，此時(shí)，雪崩電流相對于最大的連續(xù)的漏極電流值ID有明顯的改變，而且測試時(shí)間比較合適范圍。