深入理解功率MOSFET數據表

? 本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數據表中的常用主要參數,以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計。

　　數據表中的參數分為兩類: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，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。在實際應用中，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, 通常最為關心的基本參數為、、Qgs、和Vgs。更為高級一些的參數,如ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、EAS等，將在本文的下篇中再做介紹。

　　為了使每個參數的說明更具備直觀性和易于理解，選用了英飛凌公司的功率MOSFET，型號為IPD90N06S4-04。本文中所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的。下面就對這些參數做逐一的介紹。

　　?: 通態電阻。是和溫度和Vgs相關的參數，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，并給出了得到這個值的測試條件，詳見下表。

　　除了表格以外，數據表中還給出了通態電阻隨著結溫變化的數據圖。從圖中可以看出，結溫越高，通態電阻越高。正是由于這個特性，當單個功率MOSFET的電流容量不夠時，可以采用多個同類型的功率MOSFET并聯來進行擴流。

　　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有關的常數，對于英飛凌的此類功率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電阻是室溫下通態電阻的2倍。下表的曲線給出了隨環境溫度變化的關系。

　　: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,此參數都會在數據表的首頁給出。注意給出的值是在室溫下的值。

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

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

　　Qgs：數據表中給出了為了使功率MOSFET導通時在給定了的Vds電壓下，當Qgs變化時的柵級電荷變化的曲線。從圖表中可以看出，為了使MOSFET完全導通，Qgs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損耗。

　　Vgs: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Vds= Vgs時，漏極電流在微安等級時的Vgs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，Vgs電壓會隨著結溫的升高而減小。在高結溫的情況下，漏極電流已經接近達到了Idss (漏極電流)。為此，數據表中還會給出一條比常溫下指定電流大10倍的漏極電流曲線作為設計參考。如下圖所示。

　　以上介紹了在功率MOSFET數據表中最為設計者關心的基本參數、、Qgs、和Vgs。

　　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)。為了使每個參數的說明更具備直觀性和易于理解，所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的。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ID、Rthjc、SOA、Transfer Curve、和EAS。

　　ID:定義了在室溫下漏級可以長期工作的電流。需要注意的是，這個ID電流的是在Vgs在給定電壓下，TC=25℃下的ID電流值。

　　ID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ID和結溫之間的曲線關系。從下表中可以看出，當環境溫度升高時,? ID會隨著溫度而變化。在最差的情況下,需要考慮在最大環境溫度下的ID的電流仍然滿足電路設計的正常電流的要求。

Rthjc：溫阻是對設計者需要非常關注的設計參數，特別是當需要計算功率MOSFET在單脈沖和不同占空比時的功率損耗時，就需要查看這個數據表來進行設計估算。筆者將在如何用數據表來進行設計估算中來具體解釋。

　　SOA：功率MOSFET的過載能力較低，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Uds-Id坐標平面表示，便構成功率MOSFET的安全工作區（Safe OperaTIng Area，縮稱SOA）。同一種器件，其SOA的大小與偏置電壓、冷卻條件、和開關方式等都有關系。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；按信號占空比來分為直流SOA、單脈沖SOA、和重復脈沖SOA。

　　功率MOSFET在開通過程及穩定導通時必須保持柵極的正確偏置，正偏置SOA是器件處于通態下容許的工作范圍；相反，當關斷器件時，為了提高關斷速度和可靠性，需要使柵極處于反偏置，所以反偏置SOA是器件關斷時容許的工作范圍。

　　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時的工作條件；重復脈沖SOA對應于占空比在0 < D < 1時的工作條件。從數據表上可以看出：單脈沖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ID和Vgs的函數關系。廠商會給出在不同環境溫度下的三條曲線。通常這三條曲線都會相交與一點，這個點叫做溫度穩定點。

　　如果加在MOSFET的Vgs低于溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs<6.2V），此時的MOSFET是正溫度系數的，就是說，ID的電流是隨著結溫同時增加的。在設計中，當應用在大電流的設計中時，應避免使功率MOSFET工作在在正溫度系數區域。

　　當Vgs超過溫度穩定點（在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V）, MOSFET是正溫度系數的, 就是說，ID的電流是隨著結溫的增加是減少的。這在實際應用中是一個非常好的特性，特別是是在大電流的設計應用中時，這個特性會幫助功率MOSFET通過減少ID電流來減少結溫的增加。

　　EAS: 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間對應的曲線，這個曲線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間。對于同樣的雪崩能量，如果雪崩電流減少，能夠承受的時間會變長，反之亦然。環境溫度對于雪崩電流的等級也有影響，當環境溫度升高時，由于收到最大結溫的限制，能夠承受的雪崩電流會減少。