如何看懂MOSFET規(guī)格書

1、如何看懂 MOSFET 規(guī)格書作為一個電源方面的工程師、技術人員，相信大家對MOSFET 都不會陌生。在電源論壇中，關于 MOSFET的帖子也應有盡有： MOSFET 結構特點 / 工作原理、MOSFET 驅動技術、MOSFET 選型、 MOSFET損耗計算等，論壇高手、大俠們都發(fā)表過各種牛貼，我也不 敢在這些方面再多說些什么了。工程師們要選用某個型號的 MOSFET ，首先要看的就是規(guī) 格書 /datasheet ，拿到 MOSFET 的規(guī)格書 /datasheet 時， 我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？本帖的目 的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規(guī)格書/datashee

2、t 的理解和一些觀點，有什么錯誤、不當?shù)牡胤?請大家指出，也希望大家分享一下自己的一些看法，大家起學習。 PS: 1. 后續(xù)內(nèi)容中規(guī)格書 /datasheet 統(tǒng)一稱為datasheet2. 本帖中有關MOSFET datasheet 的數(shù)據(jù)截圖來自英飛凌 IPP60R190C6 datasheet1VDSDatasheet電氣參數(shù)第一個就是 V(BR)DSS ，即 DS 擊穿電壓， 也就 是我們關心的 MOSFET 的耐壓此處 V(BR)DSS 的最小值是 600V ，是不是表示設中只要 MOSFET 上電壓不超過 600VMOSFET 就能工作在安全狀態(tài) ?相信很多人的答案是“是 !”，曾

3、經(jīng)我也是這么認為的，但這個正確答案是“不是 ! ”這個參數(shù)是有條件的，這個最小值600V是在Tj=25 C的值，也就是只有在 Tj=25 C時，MOSFET上電壓不超過 600V 才算是工作在安全狀態(tài)。MOSFETV(BR)DSS 是正溫度系數(shù)的，其實 datasheet 上有一張要是V(BR)DSS 與 Tj 的關系圖 (Table 17) ，如下：電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40 C甚至更低的話，MOSFETV(BR)DSS 值所以在 MOSFET 使用中，我們都會保留一定的 VDS 的電壓裕量，其中點就是為了考慮到低溫時 MOSFETV(BR)DSS 值變小了，另外一點是為了應對各

4、種惡例條件下 開關機的VDS電壓尖峰。2ID相信大家都知道 MOSFET 最 初都是按 xA, xV 的命名方式(比如 20N60 )，慢慢的都 轉變成 Rds(on) 和電壓的命名方式 (比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on). 其實從電流到 Rds(on) 這種命名方 式的轉變就表明 ID 和 Rds(on) 是有著直接聯(lián)系的， 那么它 們之間有什么關系呢？在說明 ID 和 Rds(on) 的關系之前， 先得跟大家聊聊封裝和結溫： 1). 封裝：影響我們選擇MOSFET 的條件有哪些？ a) 功耗跟散熱性能 -> 比如：體積大的封裝相比體積小的封裝能夠承受更大

5、的損耗；鐵封比 塑封的散熱性能更好 .b) 對于高壓 MOSFET 還得考慮爬電 距離 -> 高壓的 MOSFET 就沒有 SO-8 封裝的，因為G/D/S 間的爬電距離不夠 c) 對于低壓 MOSFET 還得考慮寄生參數(shù) -> 引腳會帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會影響至驅動信號，寄生電阻會影響至Rds(on) 的值d) 空間 /體積 -> 對于一些對體積要求嚴格的電源，貼片MOSFET 就顯得有優(yōu)勢了 2). 結溫：MOSFET 的最高結溫Tj_max=150 C,超過此溫度會損壞MOSFET ，實際使用中建議不要超過 70%90% Tj_max.回到正題， MO

6、SFETID 和 Rds(on) 的關系 :(1)封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關系(2)MOSFET 通過電流 ID 產(chǎn)生的損耗(1),(2)聯(lián)立，計算得到 ID 和 Rds_on 的關系今天看到一篇文檔，面有提到 MOSFET 的壽命是跟溫度有關的。下圖紅色框中)3Rds(on)從MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看至U:Tj 增加 Rds(on) 增大，即 Rds(on) 是正溫度系數(shù)， MOSFET的這一特性使得 MOSFET 易于并聯(lián)使用。 4Vgs(th) 相信這 個值大家都熟悉， 但是 Vgs(th) 是負溫度系數(shù)有多少人知道， 你知道嗎？ ( 下面

7、兩圖分別來自 BSC010NE2LS 和IPP075N15N3 G datasheet.)相信會有很多人沒有注意到Vgs(th) 的這一特性，這也是正常的，因為高壓 MOSFET 的datasheet 中壓根就沒有這個圖，這一點可能是因為高壓MOSFET 的 Vgs(th) 值一般都是 2.5V 以上，高溫時也就到2V 左右。但對于低壓 MOSFET 就有點不一樣了，很多低壓MOSFET 的 Vgs(th) 在常溫時就很低，比如 BSC010NE2LS的 Vgs(th) 是 1.2V2V ，高溫時最低都要接近 0.8V 了，這 樣只要在 Gate 有一個很小的尖峰就可能誤觸發(fā) MOSFET 開

8、 啟從而引起整個電源系統(tǒng)異常。所以，低壓 MOSFET 使用 時一定要留意 Vgs(th) 的這個負溫度系數(shù)的特性！ ！ 5Ciss,Coss, CrssMOSFET帶寄生電容的等效模型Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=CgdCiss, Coss,Crss 的容值都是隨著 VDS 電壓改變而改變的，如下圖：在LLC 拓撲中，減小死區(qū)時間可以提高效率，但過小的死區(qū)時 間會導致無法實現(xiàn) ZVS 。因此選擇在 VDS 在低壓時 Coss較小的 MOSFET 可以讓 LLC 更加容易實現(xiàn) ZVS ，死區(qū)時 間也可以適當減小，從而提升效率。 6Qg, Qgs, Qgd 從

9、此 圖中能夠看出： 1. Qg 并不等于 Qgs+Qgd ！2. Vgs 高，Qg 大，而 Qg 大，驅動損耗大 7SOASOA 曲線可以分為 4個部分：1). Rds_on 的限制，如下圖紅色線附近部分此圖中：當VDS=1V 時，丫 軸對應的 ID 為 2A , Rds=VDS/ID=0.5R=>Tj=150 C時，Rds(on)約為 0.5R.當 VDS=10V時， 丫軸對應的 ID 為 20A ，Rds=VDS/ID=0.5R =>Tj=150C時，Rds(on) 約為 0.5R. 所以，此部分曲線中， SOA 表現(xiàn)為Tj_max時 RDS(on) 的限制 .MOSFET d

10、atasheet 上往往只有Tc=25和80 C時的SOA，但實際應用中不會剛好就是在Tc=25 或者80 C,這時候就得想辦法把25 C或者80 C時的SOA轉換成實際 Tc 時的曲線。怎樣轉換呢？有興趣的可以發(fā)表意見 . . . . . . 2) .最大脈沖電流限制，如下圖紅色線附近部分此部分為 MOSFET 的最大脈沖電流限制，此最大電流對應ID_pulse.3). VBR(DSS) 擊穿電壓限制， 如下圖紅色線附近部 分此部分為 MOSFET VBR(DSS) 的限制，最大電壓不能超過VBR(DSS) => 所以在雪崩時， SOA 圖是沒有參考意義的4). 器件所能夠承受的最大的

11、損耗限制，如下圖紅色線附近 部分上述曲線是怎么來的？這里以圖中紅線附近的那條線10us )來分析。上圖中， 1 處電壓、電流分別為： 88V, 59A ，2處電壓、電流分別為：600V, 8.5A。MOSFET要工作在SOA，即要讓 MOSFET的結溫不超過 Tj_max(150 C ),Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC 為瞬態(tài)熱阻 .SOA 圖中， D=0 ，即為 single pulse ，紅線附近的那條線上時間是10us即10A-5S，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10A-2從以上得到的參數(shù)可以計算出： 1 處的Tj 約為：25+88*59*2.4*10-

12、2=149.6C 2處的Tj約為:25+600*8.5*2.4*10-2=147.4MOSFET datasheet 上往往只有 Tc=25 和 80 C 時的 SOA ,但實際應用中不會剛好就是在Tc=25或者80 C,這時候就得想辦法把25 C或者80 C時的SOA轉換成實際Tc時的曲線。怎樣轉換呢？有興趣的可以發(fā)表一下意見把25 C時的SOA轉換成100 C時的曲線：1).在25 C的SOA上任意取點，讀出 VDS, ID, 時間等信息如上圖， 1 處電壓、電流分別為： 88V, 59A, tp=10us 計算出對應的功耗:PD=VDS*ID=88*59=5192a)PD=(Tj_max

13、-Tc)/ZthJC ->此圖對應為 Tc=25 C (b)( a)，b )聯(lián)立，可以求得 ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.0242).于同樣的 tp 的 SOA 線上，瞬態(tài)熱阻 ZthJC 保持不變，Tc=100 C， ZthJC=0.024.3). 上圖中 1 點電壓為 88V，同樣Tc=100 C時，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083從而可以算 出此時最大電流為 I=PD/VDS=2083/88=23.67A4).的方法可以算出電壓為600V , Tc=100 C時的最大電流 5).把電壓電流的坐標在圖上標出來， 可以得到 10us 的 SOA 線，

14、 同樣的方法可以得到其他 tp對應的SOA (當然這里得到的SOA還需要結合Tc=100 C時的其他限制條件)這里的重點就是 ZthJC ，瞬態(tài)熱阻在同樣 tp 和 D 的條件下是一樣的， 再結合功耗，得到不同電壓條件下的電流另外一個問題，ZthJC/ 瞬態(tài)熱阻計算： 1. 當占空比 D 不在 ZthJC 曲線中時， 怎么計算？ 2. 當 tp1). 當占空比 D 不在 ZthJC 曲線中時：其中， SthJC(t) 是 single pulse 對應的瞬態(tài)熱阻) 2. 當tp 8AvalancheEAS :單次雪崩能量，EAR :重復雪崩能量，IAR ：重復雪崩電流雪崩時 VDS,ID 典型

15、波形：上圖展開后，如下： MOSFET 雪崩時，波形上一個顯著的特點是 VDS 電壓被鉗位，即上圖中VDS 有一個明顯的平臺MOSFET 雪崩的產(chǎn)生： 在 MOSFET 的結構中，實際上是存在一個寄生三極管的，如上圖。在 MOSFET 的設計中也會采取各種措施去讓寄生 情況下，流過 RB 的電流很小， 寄生三極管的 VBE 約等于 0，極管不起作用，如減小 P+Body中的橫向電阻RB。正常三極管是處在關閉狀態(tài)。雪崩發(fā)生時，如果流過 RB 的雪崩 電流達到一定的大小， VBE 大于三極管 VBE 的開啟電壓， 寄生三極管開通，這樣將會引起 MOSFET 無法正常關斷， 從而損壞 MOSFET

16、。因此， MOSFET 的雪崩能力主要體現(xiàn) 在以下兩個方面： 1. 最大雪崩電流 =>IAR2. MOSFET 的 最大結溫 Tj_max =>EAS 、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導致的 溫升1)單次雪崩能量計算： 上圖是典型的單次雪崩 VDS,ID 波形， 對應的單次雪崩能量為：中， VBR=1.3BVDSS, L 為提供雪崩能量的電感雪崩能量的典型測試電路如下： 計算出來 EAS 后，對比 datasheet 上的 EAS 值，若在datasheet 的范圍內(nèi)，則可認為是安全的(當然前提是雪崩 電流同時， 還得注意， EAS 隨結溫的增加是減小的， 如下圖：2)重復雪崩能量 EA

17、R ：圖為典型的重復雪崩波形，對應的重復雪崩能量為： 其中， VBR=1.3BVDSS. 計算出來 EAR 后，對比 datasheet上的 EAR 值，若在 datasheet 的范圍內(nèi)，則可認為是安全 的(此處默認重復雪崩電流同時也得考慮結溫的影響 9 體內(nèi) 二極管參數(shù) VSD ，二極管正向壓降 => 這個參數(shù)不是關注 的重點 ,trr ，二極管反向回復時間 => 越小越好， Qrr ，反 向恢復電荷 =>Qrr 大小關系到 MOSFET 的開關損耗， 越的選小越好， trr 越小此值也會小 10 不同拓撲 MOSFET擇針對不同的拓撲，對 MOSFET 的參數(shù)有什么不同

18、的要求 呢？怎么選擇適合的 MOSFET ？ 歡迎大家發(fā)表意見，看法 1). 反激：反激由于變壓器漏感的存在， MOSFET 會存在一定的尖峰， 因此反激選擇 MOSFET時，我們要注意耐壓值。通常對于全電壓的輸入，MOSFET耐壓(BVDSS)得選600V以上，一般會選擇650V。若是QR 反激，為了提高效率，我們會讓 MOSFET 開通時的谷底電 壓盡量低， 這時需要取稍大一些的反射電壓， 這樣 MOSFET的耐壓值得選更高，通常會選擇800V MOSFET 。2). PFC、雙管正激等硬開關：a)對于PFC、雙管正激等常見硬開關拓撲， MOSFET 沒有像反激那么高的 VDS 尖峰， 通常 MOSFET 耐壓可以選 500V, 600V 。 b) 硬開關拓撲MOSFET 存在較大的開關損耗， 為了降低開關損耗， 我們可以選擇開關更快的 MOSFET 。而 Qg的大小直接影響到MOSFET 的開關速度，選擇較小 Qg的 MOSFET 有利于減小硬開關拓撲的開關損耗3). LLC 諧振、移相全橋等軟開關拓撲：LLC、移相全橋等軟開關拓撲的軟開關是通過諧振，在