用數據說話,功率MOSFET數據表分析大全

2021-03-06 電源網訂閱號

在汽車電子的驅動負載的各種應用中，最常見的半導體元件就是功率MOSFET了。本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全，只是想通過分析各種數據讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數據表中的常用主要參數，以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計。

數據表中的參數分為兩類：即最大額定值和電氣特性值。對於前者，在任何情況下都 不能超過，否則器件將永久損害；對於後者，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，器件本身並不一定損壞，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Rds(on)、VBR(DSS)、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於理解，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。下面就對這些參數做逐一的介紹。

Rds(on): 通態電阻。Rds(on)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，並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。正是由於這個特性，當單個功率MOSFET的電流容量不夠時，可以採用多個同類型的功率MOSFET並聯來進行擴流。

如果需要計算在指定溫度下的Rds(on)，可以採用以下的計算公式。

上式中a為與工藝技術有關的常數，對於英飛凌的此類功率MOSFET，可以採用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Rds(on)通態電阻是室溫下通態電阻的2倍。下表的曲線給出了Rds(on)隨環境溫度變化的關係。

VBR(DSS):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VBR(DSS)值是在室溫下的值。

此外，數據表中還會給出在全溫範圍內(-55℃…+175℃) VBR(DSS) 隨著溫度變化的曲線。

從上表中可以看出，VBR(DSS)是隨著溫度變化的，所以在設計中要注意在極限溫度下的VBR(DSS)仍然能夠滿足系統電源對VBR(DSS) 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Vgs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，Vgs的典型值約等於10V，由於器件完全導通，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。

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。為了使每個參數的說明更具備直觀性和易於理解，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，這些參數對於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，計算出的結果等於169A。為何在數據表上只標註90A呢？這是因為最大的電流受限於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係。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：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在單脈衝和不同佔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係。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；按信號佔空比來分為直流SOA、單脈衝SOA、和重複脈衝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是器件處於通態下容許的工作範圍；相反，當關斷器件時，為了提高關斷速度和可靠性，需要使柵極處於反偏置，所以反偏置SOA是器件關斷時容許的工作範圍。

直流SOA相當於佔空比－>1是的工作條件；單脈衝SOA則對應於佔空比－> 0時的工作條件；重複脈衝SOA對應於佔空比在0 < D < 1時的工作條件。從數據表上可以看出：單脈衝SOA最大，重複脈衝SOA次之，直流SOA最窄。

Transfer Curve：是用圖表的方式表達出ID和Vgs的函數關係。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低於溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs＜6.2V，此時的MOSFET是正溫度係數的，就是說，ID的電流是隨著結溫同時增加的。在設計中，在大電流的設計中時，應避免使功率MOSFET工作在正溫度係數區域。

當Vgs超過溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V）, MOSFET是正溫度係數的, 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Vgs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。對於同樣的雪崩能量，如果雪崩電流減少，能夠承受的時間會變長，反之亦然。環境溫度對於雪崩電流的等級也有影響，當環境溫度升高時，由於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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