深入理解功率MOSFET數據表

　　數據表中的參數分為兩類(lèi):即最大額定值和電氣特性值。對于前者,在任何情況下都不能超過(guò)，否則器件將永久損害;對于后者,一般以最小值、最大值、和典型值的形式給出，它們的值與測試方法和應用條件密切相關(guān)。在實(shí)際應用中，若超出電氣特性值，器件本身并不一定損壞，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(guān)心的基本參數為、、Q_gs、和V_gs。更為高級一些的參數,如I_D、Rthjc、SOA、Transfer Curve、E_AS等，將在本文的下篇中再做介紹。

　　為了使每個(gè)參數的說(shuō)明更具備直觀(guān)性和易于理解，選用了英飛凌公司的功率MOSFET，型號為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(lái)的。下面就對這些參數做逐一的介紹。

　　: 通態(tài)電阻。是和溫度和V_gs相關(guān)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，并給出了得到這個(gè)值的測試條件，詳見(jiàn)下表。

　　除了表格以外，數據表中還給出了通態(tài)電阻隨著(zhù)結溫變化的數據圖。從圖中可以看出，結溫越高，通態(tài)電阻越高。正是由于這個(gè)特性，當單個(gè)功率MOSFET的電流容量不夠時(shí)，可以采用多個(gè)同類(lèi)型的功率MOSFET并聯(lián)來(lái)進(jìn)行擴流。

　　如果需要計算在指定溫度下的，可以采用以下的計算公式。

　　上式中 為與工藝技術(shù)有關(guān)的常數，對于英飛凌的此類(lèi)功率MOSFET，可以采用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 通態(tài)電阻是室溫下通態(tài)電阻的2倍。下表的曲線(xiàn)給出了隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系。

　　: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(huì )在數據表的首頁(yè)給出。注意給出的值是在室溫下的值。

　　此外，數據表中還會(huì )給出在全溫范圍內(-55 C…+175 C) 隨著(zhù)溫度變化的曲線(xiàn)。

　　從上表中可以看出，是隨著(zhù)溫度變化的，所以在設計中要注意在極限溫度下的 仍然能夠滿(mǎn)足系統電源對 的要求。

　　Q_gs：數據表中給出了為了使功率MOSFET導通時(shí)在給定了的V_ds電壓下，當Q_gs變化時(shí)的柵級電荷變化的曲線(xiàn)。從圖表中可以看出，為了使MOSFET完全導通，Q_gs的典型值約等于10V，由于器件完全導通，可以減少器件的靜態(tài)損耗。

　　V_gs: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V_ds= V_gs時(shí)，漏極電流在微安等級時(shí)的V_gs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，V_gs電壓會(huì )隨著(zhù)結溫的升高而減小。在高結溫的情況下，漏極電流已經(jīng)接近達到了I_dss (漏極電流)。為此，數據表中還會(huì )給出一條比常溫下指定電流大10倍的漏極電流曲線(xiàn)作為設計參考。如下圖所示。

　　以上介紹了在功率MOSFET數據表中最為設計者關(guān)心的基本參數、、Q_gs、和V_gs。

　　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(http://www.infineon.com/optimos-T)。為了使每個(gè)參數的說(shuō)明更具備直觀(guān)性和易于理解，所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來(lái)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，這些參數對于設計都是十分必要和有用的。這些參數是I_D、R_thjc、SOA、Transfer Curve、和E_AS。

　　I_D:定義了在室溫下漏級可以長(cháng)期工作的電流。需要注意的是，這個(gè)I_D電流的是在V_gs在給定電壓下，T_C=25℃下的I_D電流值。

　　I_D的大小可以由以下的公式計算：

　　以IPD90N06S4-04為例，計算出的結果等于169A。為何在數據表上只標注90A呢？這是因為最大的電流受限于封裝腳位與焊線(xiàn)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I_D和結溫之間的曲線(xiàn)關(guān)系。從下表中可以看出，當環(huán)境溫度升高時(shí), I_D會(huì )隨著(zhù)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I_D的電流仍然滿(mǎn)足電路設計的正常電流的要求。

　　R_thjc：溫阻是對設計者需要非常

關(guān)注的設計參數，特別是當需要計算功率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)數據表來(lái)進(jìn)行設計估算。筆者將在如何用數據表來(lái)進(jìn)行設計估算中來(lái)具體解釋。

　　SOA：功率MOSFET的過(guò)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(cháng)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U_ds-I_d坐標平面表示，便構成功率MOSFET的安全工作區 （Safe Operating Area，縮稱(chēng)SOA）。同一種器件，其SOA的大小與偏置電壓、冷卻條件、和開(kāi)關(guān)方式等都有關(guān)系。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；按信號占空比來(lái)分為直流SOA、單脈沖SOA、和重復脈沖SOA。

　　功率MOSFET在開(kāi)通過(guò)程及穩定導通時(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相當于占空比－>1是的工作條件；單脈沖SOA則對應于占空比－> 0時(shí)的工作條件；重復脈沖SOA對應于占空比在0 D 1時(shí)的工作條件。從數據表上可以看出：?jiǎn)蚊}沖SOA最大，重復脈沖SOA次之，直流SOA最窄。

　　Transfer Curve：是用圖表的方式表達出I_D和V_gs的函數關(guān)系。廠(chǎng)商會(huì )給出在不同環(huán)境溫度下的三條曲線(xiàn)。通常這三條曲線(xiàn)都會(huì )相交與一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)叫做溫度穩定點(diǎn)。

　　如果加在MOSFET的V_gs低于溫度穩定點(diǎn)（在IPD90N06S4-04中是V_gs6.2V），此時(shí)的MOSFET是正溫度系數的，就是說(shuō)，I_D的電流是隨著(zhù)結溫同時(shí)增加的。在設計中，當應用在大電流的設計中時(shí)，應避免使功率MOSFET工作在在正溫度系數區域。

　　當V_gs超過(guò)溫度穩定點(diǎn)（在IPD90N06S4-04中是V_gs>6.2V）, MOSFET是正溫度系數的, 就是說(shuō)，I_D的電流是隨著(zhù)結溫的增加是減少的。這在實(shí)際應用中是一個(gè)非常好的特性，特別是是在大電流的設計應用中時(shí)，這個(gè)特性會(huì )幫助功率MOSFET通過(guò)減少I(mǎi)_D電流來(lái)減少結溫的增加。

　　E_AS: 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(shí)間對應的曲線(xiàn)，這個(gè)曲線(xiàn)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(shí)間。對于同樣的雪崩能量，如果雪崩電流減少，能夠承受的時(shí)間會(huì )變長(cháng)，反之亦然。環(huán)境溫度對于雪崩電流的等級也有影響，當環(huán)境溫度升高時(shí)，由于收到最大結溫的限制，能夠承受的雪崩電流會(huì )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E_AS=331mJ

　　上表給出的只是在室溫下的E_AS，在設計中還需要用到在不同環(huán)境溫度下的E_AS，廠(chǎng)商在數據表中也會(huì )給出，如下圖所示。