标题: MOSFET详解 [打印本页]
作者: xuwei    时间: 2015-6-13 01:10
标题: MOSFET详解
请记住技术确实没有用，但是没有技术更要饭啊！
      最大额定参数，所有数值取得条件(Ta=25℃)


VDSS 最大漏-源电压
在栅源短接，漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。关于V(BR)DSS的详细描述请参见静电学特性.

VGS 最大栅源电压
VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID - 连续漏电流
ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下，管表面温度在25℃或者更高温度下，可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数：

ID中并不包含开关损耗，并且实际使用时保持管表面温度在25℃（Tcase）也很难。因此，硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC = 25℃的一半，通常在1/3～1/4。补充，如果采用热阻JA的话可以估算出特定温度下的ID，这个值更有现实意义。

IDM -脉冲漏极电流
该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于：线的欧姆区。对于一定的栅-源电压，MOSFET导 通后，存在最大的漏极电流。如图所示，对于给定的一个栅-源电压，如果工作点位于线性区域内，漏极电流的增大会提高漏-源电压，由此增大导通损耗。长时间 工作在大功率之下，将导致器件失效。因此，在典型栅极驱动电压下，需要将额定IDM设定在区域之下。区域的分界点在Vgs和曲线相交点。

因此需要设定电流密度上限，防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线，因为在某些情况下，整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片，而是封装引线。
考虑到热效应对于IDM的限制，温度的升高依赖于脉冲宽度，脉冲间的时间间隔，散热状况，RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超 出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论，来估计脉冲电流下结温的情况。

PD -容许沟道总功耗

容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗，可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。

TJ, TSTG-工作温度和存储环境温度的范围

这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内，将极大地延长其工作寿命。

EAS-单脉冲雪崩击穿能量

如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。
定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。
L是电感值，iD为电感上流过的电流峰值，其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后，将导致雪崩击穿。雪崩击穿发 生时，即使 MOSFET处于关断状态，电感上的电流同样会流过MOSFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储，由MOSFET消散的能量类似。
MOSFET并联后，不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是：某个器件率先发生雪崩击穿，随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。

EAR -重复雪崩能量
重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率，其它损耗以及冷却量的情况下，该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。
额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是：不对频率做任何限制，从而器件不会过热，这对于任何可能发生雪崩击 穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中，最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度，来观察MOSFET器件是否存在过热情况，特别是对于可能 发生雪崩击穿的器件。

IAR - 雪崩击穿电流
对于某些器件，雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样，雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”；其揭示了器件真正的能力。

第二部分 静态电特性

V(BR)DSS：漏-源击穿电压(破坏电压)
V(BR)DSS（有时候叫做BVDSS）是指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。
V(BR)DSS是正温度系数，温度低时V(BR)DSS小于25℃时的漏源电压的最大额定值。在-50℃, V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。

VGS(th)，VGS(off)：阈值电压
VGS(th)是指加的栅源电压能使漏极开始有电流，或关断MOSFET时电流消失时的电压，测试的条件（漏极电流，漏源电压，结温）也是有规格的。正常 情况下，所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此，VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数，当温度上升 时，MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。

RDS(on)：导通电阻
RDS(on)是指在特定的漏电流（通常为ID电流的一半）、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。

IDSS：零栅压漏极电流
IDSS是指在当栅源电压为零时，在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大，IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算，通常这部分功耗可以忽略不计。

IGSS ―栅源漏电流
IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。

第三部分 动态电特性

Ciss ：输入电容
将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。
Coss ：输出电容
将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成，或者Coss = Cds +Cgd对于软开关的应用，Coss非常重要，因为它可能引起电路的谐振
Crss ：反向传输电容
在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres =Cgd，反向传输电容也常叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数，他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小， 尤其是输出电容和反向传输电容。

Qgs, Qgd, 和 Qg ：栅电荷
栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。
Qgs从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到vGS等于一个特定的驱动电压的部分。

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小，而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中，包括固定漏电流和变化漏源 电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在图中平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小（随着电流的降低也会降低）。平台电压也正比于阈值电压，所 以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。
下面这个图更加详细，应用一下：


td(on) ：导通延时时间
导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。

td(off) ：关断延时时间
关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。

tr ：上升时间
上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。

tf ：下降时间
下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。
数据表中的参数分为两类:即最大额定值和电气特性值。对于前者,在任何情况下都不能超过，否则器件将永久损害;对于后者,一般以最小值、最大值、和 典型值的形式给出，它们的值与测试方法和应用条件密切相关。在实际应用中，若超出电气特性值，器件本身并不一定损坏，但如果设计裕度不足，可能导致电路工 作失常。
　　在功率MOSFET的数据表给出的参数中, 通常最为关心的基本参数为、、Qgs、和Vgs。更为高级一些的参数,如ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、EAS等，将在本文的下篇中再做介绍。
　　为了使每个参数的说明更具备直观性和易于理解，选用了英飞凌公司的功率MOSFET，型号为 IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T)。本文中所有的表格和图表也是从 IPD90N06S4-04中摘录出来的。下面就对这些参数做逐一的介绍。
　　 : 通态电阻。是和温度和Vgs相关的参数，是MOSFET重要的参数之一。在数据表中，给出了在室温下的典型值和最大值，并给出了得到这个值的测试条件，详见下表。
　　除了表格以外，数据表中还给出了通态电阻随着结温变化的数据图。从图中可以看出，结温越高，通态电阻越高。正是由于这个特性，当单个功率MOSFET的电流容量不够时，可以采用多个同类型的功率MOSFET并联来进行扩流。
　　如果需要计算在指定温度下的，可以采用以下的计算公式。
　　上式中 为与工艺技术有关的常数，对于英飞凌的此类功率MOSFET，可以采用0.4作为常数值。如果需要快速的估算，可以粗略认为：在最高结温下的 通态电阻是室温下通态电阻的2倍。下表的曲线给出了随环境温度变化的关系。
　　:定义了MOSFET的源级和漏级的最大能购承受的直流电压。在数据表中,此参数都会在数据表的首页给出。注意给出的值是在室温下的值。
　　此外，数据表中还会给出在全温范围内(-55 C…+175 C) 随着温度变化的曲线。
　　从上表中可以看出，是随着温度变化的，所以在设计中要注意在极限温度下的 仍然能够满足系统电源对 的要求。
　　Qgs：数据表中给出了为了使功率MOSFET导通时在给定了的Vds电压下，当Qgs变化时的栅级电荷变化的曲线。从图表中可以看出，为了使MOSFET完全导通，Qgs的典型值约等于10V，由于器件完全导通，可以减少器件的静态损耗。
　　Vgs:描述了在指定了漏级电流下需要的栅源电压。数据表中给出的是在室温下，当Vds= Vgs时，漏极电流在微安等级时的Vgs电压。数据表中给出了最小值、典型值和最大值。
　　需要注意的是，在同样的漏极电流下，Vgs电压会随着结温的升高而减小。在高结温的情况下，漏极电流已经接近达到了Idss (漏极电流)。为此，数据表中还会给出一条比常温下指定电流大10倍的漏极电流曲线作为设计参考。如下图所示。
　　以上介绍了在功率MOSFET数据表中最为设计者关心的基本参数、、Qgs、和Vgs。
　　为了更深入的理解功率MOSFET的其它一些参数，本文仍然选用英飞凌公司的功率MOSFET为例，型号为 IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T)。为了使每个参数的说明更具备直观性和易于理解，所 有的表格和图表也是从IPD90N06S4-04中摘录出来的。下面就对这些参数做逐一的介绍。
　　如果需要更好的理解功率MOSFET，则需要了解更多的一些参数，这些参数对于设计都是十分必要和有用的。这些参数是ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、和EAS。
　　ID:定义了在室温下漏级可以长期工作的电流。需要注意的是，这个ID电流的是在Vgs在给定电压下，TC=25℃下的ID电流值。
　　ID的大小可以由以下的公式计算：
　　以IPD90N06S4-04为例，计算出的结果等于169A。为何在数据表上只标注90A呢？这是因为最大的电流受限于封装脚位与焊线直径，在数据表的注释1）中可以看到详细的解释。如下表所示：
　　此外，数据表中还给出了ID和结温之间的曲线关系。从下表中可以看出，当环境温度升高时,  ID会随着温度而变化。在最差的情况下,需要考虑在最大环境温度下的ID的电流仍然满足电路设计的正常电流的要求。
　　Rthjc：温阻是对设计者需要非常
关注的设计参数，特别是当需要计算功率MOSFET在单脉冲和不同占空比时的功率损耗时，就需要查看这个数据表来进行设计估算。笔者将在如何用数据表来进行设计估算中来具体解释。

　　SOA：功率MOSFET的过载能力较低，为了保证器件安全工作，具有较高的稳定性和较长的寿命，对器件承受的电流、电压、和功率有一定的限制。把这种限制用Uds-Id坐 标平面表示，便构成功率MOSFET的安全工作区 （Safe Operating Area，缩称SOA）。同一种器件，其SOA的大小与偏置电压、冷却条件、和开关方式等都有关系。如果要细分SOA，还有二种分法。按栅极偏置分为正偏 置SOA和反偏置SOA；按信号占空比来分为直流SOA、单脉冲SOA、和重复脉冲SOA。
　　功率MOSFET在开通过程及稳定导通时必须保持栅极的正确偏置，正偏置SOA是器件处于通态下容许的工作范围；相反，当关断器件时，为了提高关断速度和可靠性，需要使栅极处于反偏置，所以反偏置SOA是器件关断时容许的工作范围。
　　直流SOA相当于占空比－>1是的工作条件；单脉冲SOA则对应于占空比－> 0时的工作条件；重复脉冲SOA对应于占空比在0 < D < 1时的工作条件。从数据表上可以看出：单脉冲SOA最大，重复脉冲SOA次之，直流SOA最窄。
　　Transfer Curve：是用图表的方式表达出ID和Vgs的函数关系。厂商会给出在不同环境温度下的三条曲线。通常这三条曲线都会相交与一点，这个点叫做温度稳定点。
　　如果加在MOSFET的Vgs低于温度稳定点（在IPD90N06S4-04中是Vgs<6.2V），此时的MOSFET是正温度系数的，就是說，ID的电流是随着结温同时增加的。在设计中，当应用在大电流的设计中时，应避免使功率MOSFET工作在在正温度系数区域。
　　当Vgs超过温度稳定点（在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V）, MOSFET是正温度系数的, 就是說，ID的电流是随着结温的增加是减少的。这在实际应用中是一个非常好的特性，特别是是在大电流的设计应用中时，这个特性会帮助功率MOSFET通过减少ID电流来减少结温的增加。
　　EAS: 为了了解在雪崩电 流情况下功率MOSFET的工作情况，数据表中给出了雪崩电流和时间对应的曲线，这个曲线上可以读出在相应的雪崩电流下，功率MOSFET在不损坏的情况 下能够承受的时间。对于同样的雪崩能量，如果雪崩电流减少，能够承受的时间会变长，反之亦然。环境温度对于雪崩电流的等级也有影响，当环境温度升高时，由 于收到最大结温的限制，能够承受的雪崩电流会减少。
　　数据表中给出了功率MOSFET能够承受的雪崩能量的值。在次例子中，室温下的EAS=331mJ
　　上表给出的只是在室温下的EAS，在设计中还需要用到在不同环境温度下的EAS，厂商在数据表中也会给出，如下图所示。

   






欢迎光临 (http://www.51hei.com/bbs/) Powered by Discuz! X3.1