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標(biāo)題: MOSFET詳解 [打印本頁]
作者: xuwei    時(shí)間: 2015-6-13 01:10
標(biāo)題: MOSFET詳解
請(qǐng)記住技術(shù)確實(shí)沒有用，但是沒有技術(shù)更要飯啊！
      最大額定參數(shù)，所有數(shù)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(fā)生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據(jù)溫度的不同，實(shí)際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。關(guān)于V(BR)DSS的詳細(xì)描述請(qǐng)參見靜電學(xué)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(shè)定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導(dǎo)致的柵氧化層損傷。實(shí)際柵氧化層可承受的電壓遠(yuǎn)高于額定電壓，但是會(huì)隨制造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內(nèi)可以保證應(yīng)用的可靠性。

ID - 連續(xù)漏電流
ID定義為芯片在最大額定結(jié)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(xù)直流電流。該參數(shù)為結(jié)與管殼之間額定熱阻RθJC和管殼溫度的函數(shù)：

ID中并不包含開關(guān)損耗，并且實(shí)際使用時(shí)保持管表面溫度在25℃（Tcase）也很難。因此，硬開關(guān)應(yīng)用中實(shí)際開關(guān)電流通常小于ID 額定值@ TC = 25℃的一半，通常在1/3～1/4。補(bǔ)充，如果采用熱阻JA的話可以估算出特定溫度下的ID，這個(gè)值更有現(xiàn)實(shí)意義。

IDM -脈沖漏極電流
該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的高低，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。定義IDM的目的在于：線的歐姆區(qū)。對(duì)于一定的柵-源電壓，MOSFET導(dǎo) 通后，存在最大的漏極電流。如圖所示，對(duì)于給定的一個(gè)柵-源電壓，如果工作點(diǎn)位于線性區(qū)域內(nèi)，漏極電流的增大會(huì)提高漏-源電壓，由此增大導(dǎo)通損耗。長時(shí)間 工作在大功率之下，將導(dǎo)致器件失效。因此，在典型柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，需要將額定IDM設(shè)定在區(qū)域之下。區(qū)域的分界點(diǎn)在Vgs和曲線相交點(diǎn)。

因此需要設(shè)定電流密度上限，防止芯片溫度過高而燒毀。這本質(zhì)上是為了防止過高電流流經(jīng)封裝引線，因?yàn)樵谀承┣闆r下，整個(gè)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(yīng)對(duì)于IDM的限制，溫度的升高依賴于脈沖寬度，脈沖間的時(shí)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(jié)溫不超過最大允許值。可以參考熱性能與機(jī)械性能中關(guān)于瞬時(shí)熱阻的討論，來估計(jì)脈沖電流下結(jié)溫的情況。

PD -容許溝道總功耗

容許溝道總功耗標(biāo)定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結(jié)溫和管殼溫度為25℃時(shí)熱阻的函數(shù)。

TJ, TSTG-工作溫度和存儲(chǔ)環(huán)境溫度的范圍

這兩個(gè)參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲(chǔ)環(huán)境所允許的結(jié)溫區(qū)間。設(shè)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(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，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(huì)發(fā)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(biāo)定了器件可以容忍的瞬時(shí)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(huì)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(biāo)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(huì)突然轉(zhuǎn)換為測(cè)量器件的漏極電流。電感上產(chǎn)生的電壓超過MOSFET擊穿電壓后，將導(dǎo)致雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā) 生時(shí)，即使 MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流同樣會(huì)流過MOSFET器件。電感上所儲(chǔ)存的能量與雜散電感上存儲(chǔ)，由MOSFET消散的能量類似。
MOSFET并聯(lián)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(gè)器件率先發(fā)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(fù)雪崩能量
重復(fù)雪崩能量已經(jīng)成為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但是在沒有設(shè)定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒有任何意義。散熱(冷卻)狀況經(jīng)常制約著重復(fù)雪崩能量。對(duì)于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測(cè)。
額定EAR的真實(shí)意義在于標(biāo)定了器件所能承受的反復(fù)雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對(duì)頻率做任何限制，從而器件不會(huì)過熱，這對(duì)于任何可能發(fā)生雪崩擊 穿的器件都是現(xiàn)實(shí)的。在驗(yàn)證器件設(shè)計(jì)的過程中，最好可以測(cè)量處于工作狀態(tài)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(duì)于可能 發(fā)生雪崩擊穿的器件。

IAR - 雪崩擊穿電流
對(duì)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(duì)雪崩電流IAR進(jìn)行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規(guī)格的“精細(xì)闡述”；其揭示了器件真正的能力。

第二部分 靜態(tài)電特性

V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓(破壞電壓)
V(BR)DSS（有時(shí)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(dá)到一個(gè)特定值時(shí)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(shù)，溫度低時(shí)V(BR)DSS小于25℃時(shí)的漏源電壓的最大額定值。在-50℃, V(BR)DSS大約是25℃時(shí)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(guān)斷MOSFET時(shí)電流消失時(shí)的電壓，測(cè)試的條件（漏極電流，漏源電壓，結(jié)溫）也是有規(guī)格的。正常 情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會(huì)有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。VGS(th)是負(fù)溫度系數(shù)，當(dāng)溫度上升 時(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開啟。

RDS(on)：導(dǎo)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(cè)得的漏-源電阻。

IDSS：零柵壓漏極電流
IDSS是指在當(dāng)柵源電壓為零時(shí)，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(guī)定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計(jì)算，通常這部分功耗可以忽略不計(jì)。

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(dòng)態(tài)電特性

Ciss ：輸入電容
將漏源短接，用交流信號(hào)測(cè)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(lián)而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時(shí)器件才能開啟，放電致一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動(dòng)電路和Ciss對(duì)器件的開啟和關(guān)斷延時(shí)有著直接的影響。
Coss ：輸出電容
將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)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(lián)而成，或者Coss = Cds +Cgd對(duì)于軟開關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因?yàn)樗赡芤痣娐返闹C振
Crss ：反向傳輸電容
在源極接地的情況下，測(cè)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(duì)于開關(guān)的上升和下降時(shí)間來說是其中一個(gè)重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時(shí)時(shí)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(yīng)存儲(chǔ)在端子間電容上的電荷，既然開關(guān)的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設(shè)計(jì)柵驅(qū)動(dòng)電路時(shí)經(jīng)常要考慮柵電荷的影響。
Qgs從0電荷開始到第一個(gè)拐點(diǎn)處，Qgd是從第一個(gè)拐點(diǎn)到第二個(gè)拐點(diǎn)之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點(diǎn)到vGS等于一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)電壓的部分。

漏電流和漏源電壓的變化對(duì)柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測(cè)試條件是規(guī)定好的。柵電荷的曲線圖體現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，包括固定漏電流和變化漏源 電壓情況下所對(duì)應(yīng)的柵電荷變化曲線。在圖中平臺(tái)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(huì)降低）。平臺(tái)電壓也正比于閾值電壓，所 以不同的閾值電壓將會(huì)產(chǎn)生不同的平臺(tái)電壓。
下面這個(gè)圖更加詳細(xì)，應(yīng)用一下：


td(on) ：導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間
導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流升到規(guī)定電流的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

td(off) ：關(guān)斷延時(shí)時(shí)間
關(guān)斷延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流降至規(guī)定電流的90%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。這顯示電流傳輸?shù)截?fù)載之前所經(jīng)歷的延遲。

tr ：上升時(shí)間
上升時(shí)間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。

tf ：下降時(shí)間
下降時(shí)間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。
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(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(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：
　　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。
　　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，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。

   






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