深入理解功率MOSFET数据表

在汽车电子的驱动负载的各种应用中,最常见的半导体元件就是功率MOSFET了。本文不准备写成一篇介绍功率MOSFET的技术大全,只是让读者去了解如何正确的理解功率MOSFET数据表中的常用主要参数,以帮助设计者更好的使用功率MOSFET进行设计。

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。[page]
 

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。[page]

 
　　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。