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標題: MOSFET詳解 [打印本頁]

作者: xuwei 時間: 2015-6-13 01:10
標題: MOSFET詳解
請記住技術確實沒有用，但是沒有技術更要飯啊！
最大額定參數，所有數值取得條件(Ta=25℃)

VDSS 最大漏-源電壓
在柵源短接，漏-源額定電壓(VDSS)是指漏-源未發生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據溫度的不同，實際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。關于V(BR)DSS的詳細描述請參見靜電學特性.

VGS 最大柵源電壓
VGS額定電壓是柵源兩極間可以施加的最大電壓。設定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導致的柵氧化層損傷。實際柵氧化層可承受的電壓遠高于額定電壓，但是會隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內可以保證應用的可靠性。

ID - 連續漏電流
ID定義為芯片在最大額定結溫TJ(max)下，管表面溫度在25℃或者更高溫度下，可允許的最大連續直流電流。該參數為結與管殼之間額定熱阻RθJC和管殼溫度的函數：

ID中并不包含開關損耗，并且實際使用時保持管表面溫度在25℃（Tcase）也很難。因此，硬開關應用中實際開關電流通常小于ID 額定值@ TC = 25℃的一半，通常在1/3～1/4。補充，如果采用熱阻JA的話可以估算出特定溫度下的ID，這個值更有現實意義。

IDM -脈沖漏極電流
該參數反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠高于連續的直流電流。定義IDM的目的在于：線的歐姆區。對于一定的柵-源電壓，MOSFET導通后，存在最大的漏極電流。如圖所示，對于給定的一個柵-源電壓，如果工作點位于線性區域內，漏極電流的增大會提高漏-源電壓，由此增大導通損耗。長時間工作在大功率之下，將導致器件失效。因此，在典型柵極驅動電壓下，需要將額定IDM設定在區域之下。區域的分界點在Vgs和曲線相交點。

因此需要設定電流密度上限，防止芯片溫度過高而燒毀。這本質上是為了防止過高電流流經封裝引線，因為在某些情況下，整個芯片上最“薄弱的連接”不是芯片，而是封裝引線。
考慮到熱效應對于IDM的限制，溫度的升高依賴于脈沖寬度，脈沖間的時間間隔，散熱狀況，RDS(on)以及脈沖電流的波形和幅度。單純滿足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結溫不超過最大允許值。可以參考熱性能與機械性能中關于瞬時熱阻的討論，來估計脈沖電流下結溫的情況。

PD -容許溝道總功耗

容許溝道總功耗標定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結溫和管殼溫度為25℃時熱阻的函數。

TJ, TSTG-工作溫度和存儲環境溫度的范圍

這兩個參數標定了器件工作和存儲環境所允許的結溫區間。設定這樣的溫度范圍是為了滿足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個溫度區間內，將極大地延長其工作壽命。

EAS-單脈沖雪崩擊穿能量

如果電壓過沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過擊穿電壓，則器件不會發生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標定了器件可以容忍的瞬時過沖電壓的安全值，其依賴于雪崩擊穿需要消散的能量。
定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會定義額定EAS。額定雪崩擊穿能量與額定UIS具有相似的意義。EAS標定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。
L是電感值，iD為電感上流過的電流峰值，其會突然轉換為測量器件的漏極電流。電感上產生的電壓超過MOSFET擊穿電壓后，將導致雪崩擊穿。雪崩擊穿發生時，即使 MOSFET處于關斷狀態，電感上的電流同樣會流過MOSFET器件。電感上所儲存的能量與雜散電感上存儲，由MOSFET消散的能量類似。
MOSFET并聯后，不同器件之間的擊穿電壓很難完全相同。通常情況是：某個器件率先發生雪崩擊穿，隨后所有的雪崩擊穿電流(能量)都從該器件流過。

EAR -重復雪崩能量
重復雪崩能量已經成為“工業標準”，但是在沒有設定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數沒有任何意義。散熱(冷卻)狀況經常制約著重復雪崩能量。對于雪崩擊穿所產生的能量高低也很難預測。
額定EAR的真實意義在于標定了器件所能承受的反復雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對頻率做任何限制，從而器件不會過熱，這對于任何可能發生雪崩擊穿的器件都是現實的。在驗證器件設計的過程中，最好可以測量處于工作狀態的器件或者熱沉的溫度，來觀察MOSFET器件是否存在過熱情況，特別是對于可能發生雪崩擊穿的器件。

IAR - 雪崩擊穿電流
對于某些器件，雪崩擊穿過程中芯片上電流集邊的傾向要求對雪崩電流IAR進行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規格的“精細闡述”；其揭示了器件真正的能力。

第二部分靜態電特性

V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓(破壞電壓)
V(BR)DSS（有時候叫做BVDSS）是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過漏極電流達到一個特定值時的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。
V(BR)DSS是正溫度系數，溫度低時V(BR)DSS小于25℃時的漏源電壓的最大額定值。在-50℃, V(BR)DSS大約是25℃時最大漏源額定電壓的90%。

VGS(th)，VGS(off)：閾值電壓
VGS(th)是指加的柵源電壓能使漏極開始有電流，或關斷MOSFET時電流消失時的電壓，測試的條件（漏極電流，漏源電壓，結溫）也是有規格的。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規定好的。VGS(th)是負溫度系數，當溫度上升時，MOSFET將會在比較低的柵源電壓下開啟。

RDS(on)：導通電阻
RDS(on)是指在特定的漏電流（通常為ID電流的一半）、柵源電壓和25℃的情況下測得的漏-源電阻。

IDSS：零柵壓漏極電流
IDSS是指在當柵源電壓為零時，在特定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。既然泄漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計算，通常這部分功耗可以忽略不計。

IGSS ―柵源漏電流
IGSS是指在特定的柵源電壓情況下流過柵極的漏電流。

第三部分動態電特性

Ciss ：輸入電容
將漏源短接，用交流信號測得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。當輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關斷。因此驅動電路和Ciss對器件的開啟和關斷延時有著直接的影響。
Coss ：輸出電容
將柵源短接，用交流信號測得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯而成，或者Coss = Cds +Cgd對于軟開關的應用，Coss非常重要，因為它可能引起電路的諧振
Crss ：反向傳輸電容
在源極接地的情況下，測得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同于柵漏電容。Cres =Cgd，反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對于開關的上升和下降時間來說是其中一個重要的參數，他還影響這關斷延時時間。電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。

Qgs, Qgd, 和 Qg ：柵電荷
柵電荷值反應存儲在端子間電容上的電荷，既然開關的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設計柵驅動電路時經常要考慮柵電荷的影響。
Qgs從0電荷開始到第一個拐點處，Qgd是從第一個拐點到第二個拐點之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點到vGS等于一個特定的驅動電壓的部分。

漏電流和漏源電壓的變化對柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測試條件是規定好的。柵電荷的曲線圖體現在數據表中，包括固定漏電流和變化漏源電壓情況下所對應的柵電荷變化曲線。在圖中平臺電壓VGS(pl)隨著電流的增大增加的比較小（隨著電流的降低也會降低）。平臺電壓也正比于閾值電壓，所以不同的閾值電壓將會產生不同的平臺電壓。
下面這個圖更加詳細，應用一下：

td(on) ：導通延時時間
導通延時時間是從當柵源電壓上升到10%柵驅動電壓時到漏電流升到規定電流的10%時所經歷的時間。

td(off) ：關斷延時時間
關斷延時時間是從當柵源電壓下降到90%柵驅動電壓時到漏電流降至規定電流的90%時所經歷的時間。這顯示電流傳輸到負載之前所經歷的延遲。

tr ：上升時間
上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經歷的時間。

tf ：下降時間
下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經歷的時間。
數據表中的參數分為兩類: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用條件密切相關。在實際應用中，若超出電氣特性值，器件本身并不一定損壞，但如果設計裕度不足，可能導致電路工作失常。
　　在功率MOSFET的數據表給出的參數中, 通常最為關心的基本參數為

、

、Qgs、和Vgs。更為高級一些的參數,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(http://www.infineon.com/optimos-T)。本文中所有的表格和圖表也是從 IPD90N06S4-04中摘錄出來的。下面就對這些參數做逐一的介紹。
　　

: 通態電阻。

是和溫度和Vgs相關的參數，是MOSFET重要的參數之一。在數據表中，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，數據表中還給出了通態電阻隨著結溫變化的數據圖。從圖中可以看出，結溫越高，通態電阻越高。正是由于這個特性，當單個功率MOSFET的電流容量不夠時，可以采用多個同類型的功率MOSFET并聯來進行擴流。
　　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有關的常數，對于英飛凌的此類功率MOSFET，可以采用0.4作為常數值。如果需要快速的估算，可以粗略認為：在最高結溫下的通態電阻是室溫下通態電阻的2倍。下表的曲線給出了

隨環境溫度變化的關系。

:定義了MOSFET的源級和漏級的最大能購承受的直流電壓。在數據表中,此參數都會在數據表的首頁給出。注意給出的

值是在室溫下的值。

　　此外，數據表中還會給出在全溫范圍內(-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，所以在設計中要注意在極限溫度下的

仍然能夠滿足系統電源對

的要求。
　　Qgs：數據表中給出了為了使功率MOSFET導通時在給定了的Vds電壓下，當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完全導通，Qgs的典型值約等于10V，由于器件完全導通，可以減少器件的靜態損耗。

　　Vgs:描述了在指定了漏級電流下需要的柵源電壓。數據表中給出的是在室溫下，當Vds= Vgs時，漏極電流在微安等級時的Vgs電壓。數據表中給出了最小值、典型值和最大值。

　　需要注意的是，在同樣的漏極電流下，Vgs電壓會隨著結溫的升高而減小。在高結溫的情況下，漏極電流已經接近達到了Idss (漏極電流)。為此，數據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計參考。如下圖所示。

　　以上介紹了在功率MOSFET數據表中最為設計者關心的基本參數

、

、Qgs、和Vgs。
　　為了更深入的理解功率MOSFET的其它一些參數，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，這些參數對于設計都是十分必要和有用的。這些參數是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，計算出的結果等于169A。為何在數據表上只標注90A呢？這是因為最大的電流受限于封裝腳位與焊線直徑，在數據表的注釋1）中可以看到詳細的解釋。如下表所示：

　　此外，數據表中還給出了ID和結溫之間的曲線關系。從下表中可以看出，當環境溫度升高時, ID會隨著溫度而變化。在最差的情況下,需要考慮在最大環境溫度下的ID的電流仍然滿足電路設計的正常電流的要求。

　　Rthjc：溫阻是對設計者需要非常
關注的設計參數，特別是當需要計算功率MOSFET在單脈沖和不同占空比時的功率損耗時，就需要查看這個數據表來進行設計估算。筆者將在如何用數據表來進行設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坐標平面表示，便構成功率MOSFET的安全工作區（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、和開關方式等都有關系。如果要細分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、和重復脈沖SOA。
　　功率MOSFET在開通過程及穩定導通時必須保持柵極的正確偏置，正偏置SOA是器件處于通態下容許的工作范圍；相反，當關斷器件時，為了提高關斷速度和可靠性，需要使柵極處于反偏置，所以反偏置SOA是器件關斷時容許的工作范圍。
　　直流SOA相當于占空比－>1是的工作條件；單脈沖SOA則對應于占空比－> 0時的工作條件；重復脈沖SOA對應于占空比在0 < D < 1時的工作條件。從數據表上可以看出：單脈沖SOA最大，重復脈沖SOA次之，直流SOA最窄。

　　Transfer Curve：是用圖表的方式表達出ID和Vgs的函數關系。廠商會給出在不同環境溫度下的三條曲線。通常這三條曲線都會相交與一點，這個點叫做溫度穩定點。
　　如果加在MOSFET的Vgs低于溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs<6.2V），此時的MOSFET是正溫度系數的，就是說，ID的電流是隨著結溫同時增加的。在設計中，當應用在大電流的設計中時，應避免使功率MOSFET工作在在正溫度系數區域。
　　當Vgs超過溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V）, MOSFET是正溫度系數的, 就是說，ID的電流是隨著結溫的增加是減少的。這在實際應用中是一個非常好的特性，特別是是在大電流的設計應用中時，這個特性會幫助功率MOSFET通過減少ID電流來減少結溫的增加。

　　EAS: 為了了解在雪崩電流情況下功率MOSFET的工作情況，數據表中給出了雪崩電流和時間對應的曲線，這個曲線上可以讀出在相應的雪崩電流下，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。環境溫度對于雪崩電流的等級也有影響，當環境溫度升高時，由于收到最大結溫的限制，能夠承受的雪崩電流會減少。

　　數據表中給出了功率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，在設計中還需要用到在不同環境溫度下的EAS，廠商在數據表中也會給出，如下圖所示。

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