理解功率 MOSFET 的電流

通常，在功率MOSFET的數據表中的第一頁(yè)，列出了連續漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后對于許多電子工程師來(lái)說(shuō)，他們對于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設計過(guò)程中，它們如何影響系統以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統的闡述這些問(wèn)題,并說(shuō)明了在實(shí)際的應用過(guò)程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。

連續漏極電流
連續漏極電流在功率MOSFET的數據表中表示為ID。對于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，通常連續漏極電流ID是一個(gè)計算值。當器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值，根據硅片允許的最大工作結溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：

當功率MOSFET流過(guò)最大的連續漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為PD：

因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續漏極電流ID的計算公式：

(1)
其中，RDS(ON)_TJ(max) 為在最大工作結溫TJ下，功率MOSFET的導通電阻；通常，硅片允許的最大工作結溫為150℃。

需要說(shuō)明的是：上述的電流是基于最大結溫的計算值；事實(shí)上，它還要受到封裝的限制。在數據表中，許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續漏極電流，而有些公司表示的是基于最大結溫的電流，那么它通常會(huì )在數據表注釋中進(jìn)行說(shuō)明，并示出基于封裝限制的最大的連續漏極電流。

在公式（1）中，需要測量器件的熱阻RθJC，對于數據表中的熱阻都是在一定的條件下測試的，通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒(méi)有裸露銅皮的封裝，如SOT23，SO8等，圖1中的RθJC通常要改變?yōu)镽θJL，RθJL就是結到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內部與襯底相連的那個(gè)管腳。

圖1 等效熱阻模型

功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對應著(zhù)一定的二極管的壓降，通常，二極管的壓降和溫度曲線(xiàn)需要進(jìn)行校準。

測試時(shí)，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過(guò)一定的電流，當器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，測量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。

通過(guò)二極管的壓降和通過(guò)的電流，可以計算功耗；通過(guò)二極管的壓降可以查到結溫，根據功耗、結溫和器件裸露銅皮或與芯片內部襯底相連的管腳的溫度，可以計算得到RθJC或RθJL。根據功耗、結溫和環(huán)境溫度，還可以計算得到RθJA。

特別強調的是，RθJC不是結到器件的塑料外殼溫度。RθJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測量的值，不是只靠器件本身單獨散熱時(shí)的測試值。實(shí)際的應用中，通常RθJT+RθJA>>RθJC+RθCA，器件結到環(huán)境的熱阻通常近似為：RθJA≈RθJC+RθCA

熱阻RθJC確定了，就可以用公式（1）計算功率MOSFET的電流值連續漏極電流ID，當環(huán)境溫度升高時(shí)，相應的ID的值也會(huì )降低。

裸露銅皮的封裝，使用RθJC或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結溫，通?？梢栽龃笊崞?，提高器件通過(guò)電流的能力。底部沒(méi)有裸露銅皮的封裝，使用RθJL或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數據表中ID只考慮導通損耗，在實(shí)際的設計過(guò)程中，要計算功率MOSFET的最大功耗包括導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再根據功耗和熱阻來(lái)校核結溫，保證其結溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。

上述計算過(guò)程中，ID是基于硅片的最大允許結溫來(lái)計算的，實(shí)際的ID還要受到封裝的影響，特別是底部具有裸露銅皮的封裝。

封裝限制通常是指連接線(xiàn)的電流處理能力。對于額定的連接線(xiàn)的電流限制，常用的方法是基于連接線(xiàn)的熔化溫度。當連接線(xiàn)的溫度大于220℃時(shí)，會(huì )導致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線(xiàn)的電阻的10倍以上，大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結溫通常要低于220℃,因此不會(huì )存在連接線(xiàn)的熔化問(wèn)題。連接線(xiàn)的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會(huì )發(fā)生。

有裸露銅皮器件在封裝過(guò)程中硅片通過(guò)焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會(huì )使局部的連接電阻分布不均勻，通過(guò)連接線(xiàn)連接硅片的管腳，在連接線(xiàn)和硅片結合處會(huì )產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的連續漏極電流ID會(huì )小于數基于結溫計算的電流。