作為一個電子工程師、技術(shù)人員，相信大家對 MOSFET 都不會陌生。

 

工程師們要選用某個型號的 MOSFET，首先要看的就是規(guī)格書/datasheet，拿到 MOSFET 的規(guī)格書/datasheet 時，我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？

 

本文的目的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規(guī)格書/datasheet 的理解和一些觀點(diǎn)，有什么錯誤、不當(dāng)?shù)牡胤秸埓蠹抑赋?，也希望大家分享一下自己的一些看法，大家一起學(xué)習(xí)。

 

PS: 

1. 后續(xù)內(nèi)容中規(guī)格書/datasheet 統(tǒng)一稱為 datasheet

2. 本文中有關(guān) MOSFET datasheet 的數(shù)據(jù)截圖來自英飛凌 IPP60R190C6 datasheet

 

1、VDS

 

Datasheet 上電氣參數(shù)第一個就是 V(BR)DSS，即 DS 擊穿電壓，也就是我們關(guān)心的 MOSFET 的耐壓

 

 

此處V(BR)DSS的最小值是600V，是不是表示設(shè)計中只要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態(tài)?

 

相信很多人的答案是“是!”，曾經(jīng)我也是這么認(rèn)為的，但這個正確答案是“不是!”

 

這個參數(shù)是有條件的，這個最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃時，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。

 

MOSFET V(BR)DSS是正溫度系數(shù)的，其實(shí)datasheet上有一張V(BR)DSS與Tj的關(guān)系圖，如下：

 

 

要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V(BR)DSS值<560V，這時候600V就已經(jīng)超過MOSFET耐壓了。  

 

所以在MOSFET使用中，我們都會保留一定的VDS的電壓裕量，其中一點(diǎn)就是為了考慮到低溫時MOSFET V(BR)DSS值變小了，另外一點(diǎn)是為了應(yīng)對各種惡例條件下開關(guān)機(jī)的VDS電壓尖峰。

 

2、ID    

 

 

相信大家都知道 MOSFET 最初都是按 xA, xV 的命名方式（比如 20N60~），慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds(on)和電壓的命名方式(比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~).

其實(shí)從電流到 Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就表明 ID 和 Rds(on)是有著直接聯(lián)系的，那么它們之間有什么關(guān)系呢？

 

在說明 ID 和 Rds(on)的關(guān)系之前，先得跟大家聊聊封裝和結(jié)溫：

 

1). 封裝：影響我們選擇 MOSFET 的條件有哪些？

 

a) 功耗跟散熱性能 -->比如：體積大的封裝相比體積小的封裝能夠承受更大的損耗；鐵封比塑封的散熱性能更好.

 

b) 對于高壓 MOSFET 還得考慮爬電距離 -->高壓的 MOSFET 就沒有 SO-8 封裝的，因?yàn)镚/D/S 間的爬電距離不夠

 

c) 對于低壓 MOSFET 還得考慮寄生參數(shù) -->引腳會帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會影響到驅(qū)動信號，寄生電阻會影響到 Rds(on)的值

 

d) 空間/體積 -->對于一些對體積要求嚴(yán)格的電源，貼片 MOSFET 就顯得有優(yōu)勢了

 

2). 結(jié)溫：MOSFET 的最高結(jié)溫 Tj_max=150℃，超過此溫度會損壞 MOSFET，實(shí)際使用中建議不要超過 70%~90% Tj_max.

 

 

回到正題，MOSFET ID和Rds(on)的關(guān)系:

 

 

(1) 封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關(guān)系

 

(2) MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗

 

(1), (2)聯(lián)立，計算得到ID和Rds_on的關(guān)系

 

今天看到一篇文檔，上面有提到MOSFET的壽命是跟溫度有關(guān)的。（下圖紅色框中）

 

 

3、Rds（on）

 

 

從MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds(on)增大，即Rds(on)是正溫度系數(shù)，MOSFET的這一特性使得MOSFET易于并聯(lián)使用。

 

4、Vgs(th)

 

 

相信這個值大家都熟悉，但是Vgs(th)是負(fù)溫度系數(shù)有多少人知道，你知道嗎？(下面兩圖分別來自BSC010NE2LS和IPP075N15N3 G datasheet.)

 

 

相信會有很多人沒有注意到Vgs(th)的這一特性，這也是正常的，因?yàn)楦邏篗OSFET的datasheet中壓根就沒有這個圖，這一點(diǎn)可能是因?yàn)楦邏篗OSFET的Vgs(th)值一般都是2.5V以上，高溫時也就到2V左右。但對于低壓MOSFET就有點(diǎn)不一樣了，很多低壓MOSFET的Vgs(th)在常溫時就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs(th)是1.2V~2V，高溫時最低都要接近0.8V了，這樣只要在Gate有一個很小的尖峰就可能誤觸發(fā)MOSFET開啟從而引起整個電源系統(tǒng)異常。

 

所以，低壓MOSFET使用時一定要留意Vgs(th)的這個負(fù)溫度系數(shù)的特性！！

 

5、Ciss, Coss, Crss

 

MOSFET 帶寄生電容的等效模型

 

 

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

 

Ciss, Coss, Crss的容值都是隨著VDS電壓改變而改變的，如下圖：

 

 

在 LLC 拓?fù)渲?，減小死區(qū)時間可以提高效率，但過小的死區(qū)時間會導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn) ZVS。因此選擇在 VDS 在低壓時 Coss 較小的 MOSFET 可以讓 LLC 更加容易實(shí)現(xiàn) ZVS，死區(qū)時間也可以適當(dāng)減小，從而提升效率。

 

6、Qg, Qgs, Qgd

 

 

從此圖中能夠看出：

1. Qg并不等于Qgs+Qgd！！

2. Vgs高，Qg大，而Qg大，驅(qū)動損耗大

 

7、SOA

 

SOA曲線可以分為4個部分：

1). Rds_on的限制，如下圖紅色線附近部分

 

 

此圖中：當(dāng)VDS=1V時，Y軸對應(yīng)的ID為2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.當(dāng)VDS=10V時，Y軸對應(yīng)的ID為20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.所以，此部分曲線中，SOA表現(xiàn)為Tj_max時RDS(on)的限制.

 

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80℃，這時候就得想辦法把25℃或者80℃時的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時的曲線。怎樣轉(zhuǎn)換呢？有興趣的可以發(fā)表一下意見......

 

2).最大脈沖電流限制，如下圖紅色線附近部分

 

 

此部分為MOSFET的最大脈沖電流限制，此最大電流對應(yīng)ID_pulse.

 

 

3). VBR(DSS)擊穿電壓限制，如下圖紅色線附近部分

 

 

此部分為MOSFET VBR(DSS)的限制，最大電壓不能超過VBR(DSS) ==>所以在雪崩時，SOA圖是沒有參考意義的

 

 

4). 器件所能夠承受的最大的損耗限制，如下圖紅色線附近部分

 

 

上述曲線是怎么來的？這里以圖中紅線附近的那條線（10us）來分析。

 

上圖中，1處電壓、電流分別為：88V, 59A，2處電壓、電流分別為：600V, 8.5A。

MOSFET要工作在SOA，即要讓MOSFET的結(jié)溫不超過Tj_max(150℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC為瞬態(tài)熱阻.

 

 

SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時間是10us即10^-5s，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2

 

從以上得到的參數(shù)可以計算出：

1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃

2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃

 

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80℃，這時候就得想辦法把25℃或者80℃時的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時的曲線。怎樣轉(zhuǎn)換呢？

 

有興趣的可以發(fā)表一下意見~

 

把25℃時的SOA轉(zhuǎn)換成100℃時的曲線：

 

1). 在25℃的SOA上任意取一點(diǎn)，讀出VDS, ID,時間等信息

 

 

如上圖，1處電壓、電流分別為：88V, 59A, tp=10us

計算出對應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192 （a）

PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -->此圖對應(yīng)為Tc=25℃ （b）

（a），（b）聯(lián)立，可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024

 

2). 對于同樣的tp的SOA線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024.

 

3). 上圖中1點(diǎn)電壓為88V，Tc=100℃時，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083

從而可以算出此時最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A

 

4). 同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃時的最大電流

5). 把電壓電流的坐標(biāo)在圖上標(biāo)出來，可以得到10us的SOA線，同樣的方法可以得到其他tp對應(yīng)的SOA（當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100℃時的其他限制條件）

 

這里的重點(diǎn)就是ZthJC，瞬態(tài)熱阻在同樣tp和D的條件下是一樣的，再結(jié)合功耗，得到不同電壓條件下的電流

 

另外一個問題，ZthJC/瞬態(tài)熱阻計算：

1. 當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時，怎么計算？

2. 當(dāng)tp<10us是，怎么計算？

1). 當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時：（其中，SthJC(t)是single pulse對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻）

 

 

2. 當(dāng)tp<10us時：

 

 

8、Avalanche

 

EAS：單次雪崩能量，EAR：重復(fù)雪崩能量，IAR：重復(fù)雪崩電流

 

 

雪崩時VDS,ID典型波形：

 

 

上圖展開后，如下：

 

 

MOSFET雪崩時，波形上一個顯著的特點(diǎn)是VDS電壓被鉗位，即上圖中VDS有一個明顯的平臺
 

MOSFET雪崩的產(chǎn)生：

 

 

在MOSFET的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上是存在一個寄生三極管的，如上圖。在MOSFET的設(shè)計中也會采取各種措施去讓寄生三極管不起作用，如減小P+Body中的橫向電阻RB。正常情況下，流過RB的電流很小，寄生三極管的VBE約等于0，三極管是處在關(guān)閉狀態(tài)。雪崩發(fā)生時，如果流過RB的雪崩電流達(dá)到一定的大小，VBE大于三極管VBE的開啟電壓，寄生三極管開通，這樣將會引起MOSFET無法正常關(guān)斷，從而損壞MOSFET。

 

因此，MOSFET的雪崩能力主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

 

1. 最大雪崩電流 ==>IAR

 

2. MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升

 

1）單次雪崩能量計算：

 

 

上圖是典型的單次雪崩VDS,ID波形，對應(yīng)的單次雪崩能量為：

 

 

其中，VBR=1.3BVDSS, L為提供雪崩能量的電感

 

雪崩能量的典型測試電路如下：

 

 

計算出來EAS后，對比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（當(dāng)然前提是雪崩電流<IAR）同時，還得注意，EAS隨結(jié)溫的增加是減小的，如下圖：

 

 

2）重復(fù)雪崩能量 EAR：

 

 

上圖為典型的重復(fù)雪崩波形，對應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：

 

 

其中，VBR=1.3BVDSS.

 

計算出來EAR后，對比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（此處默認(rèn)重復(fù)雪崩電流<IAR），同時也得考慮結(jié)溫的影響

 

9、體內(nèi)二極管參數(shù)

 

 

VSD，二極管正向壓降 ==>這個參數(shù)不是關(guān)注的重點(diǎn),trr，二極管反向回復(fù)時間 ==>越小越好，Qrr，反向恢復(fù)電荷 ==>Qrr大小關(guān)系到MOSFET的開關(guān)損耗，越小越好，trr越小此值也會小

 

 

10、不同拓?fù)?MOSFET 的選擇

 

針對不同的拓?fù)洌瑢OSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢？怎么選擇適合的MOSFET？

 

歡迎大家發(fā)表意見，看法 

 

1). 反激：

反激由于變壓器漏感的存在，MOSFET會存在一定的尖峰，因此反激選擇MOSFET時，我們要注意耐壓值。通常對于全電壓的輸入，MOSFET耐壓(BVDSS)得選600V以上，一般會選擇650V。

 

若是QR反激，為了提高效率，我們會讓MOSFET開通時的谷底電壓盡量低，這時需要取稍大一些的反射電壓，這樣MOSFET的耐壓值得選更高，通常會選擇800V MOSFET。

 

2). PFC、雙管正激等硬開關(guān)：

 

a) 對于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓?fù)?，MOSFET沒有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐壓可以選500V, 600V。

 

b) 硬開關(guān)拓?fù)銶OSFET存在較大的開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFET。而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度，選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗

 

3). LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)洌?/div>