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,拿至fj 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 /datasheet 的理解和一

2、些觀點，有什么錯誤、不當的地方請大家指出，也希望大家分享一下自己的一些看法，大家一起學習。 PS: 1. 后續(xù)內容中規(guī)格書 /datasheet 統(tǒng)一稱為 datasheet2. 本帖中有關 MOSFET datasheet 的數據截圖來自英飛凌IPP60R190C6 datasheet1VDSDatasheet上電氣參數第一個就是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 ，是不是表示設計中只要 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! ” ，曾經我也是這么認

3、為的，但這個正確答案是“不是 ! ”這個參數是有條件的， 這個最小值600V 是在 Tj=25 的值， 也就是只有在Tj=25 時， MOSFET 上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。MOSFETV(BR)DSS是正溫度系數的，其實datasheet上有一張V(BR)DSS 與 Tj 的關系圖 (Table 17)， 如下： 要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到 -40 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，其中一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種惡例條件下開關

4、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的損耗；鐵封比塑封的散熱性能更好.b) 對于高

5、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- 引腳會帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會影響到驅動信號，寄生電阻會影響到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 ，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， MOSFETID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

6、系(2)MOSFET 通過電流ID 產生的損耗(1),(2)聯(lián)立，計算得到ID 和 Rds_on 的關系今天看到一篇文檔，上面有提到 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的圖表中可以看到：Tj增力口 Rds(on)增大，即Rds(on)是正溫度系數，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) 是負溫度系數有多少人知道， 你知道嗎？(下面兩圖分別來自BSC010NE2LS 和 IPP075N15N3G datasheet.心目信會有很多人沒有注意到V

7、gs(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) 的這個負溫度系數的特性！ ！ 5Ciss,

8、 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7SOA

9、SOA 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， Y 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，Y 軸對 應的 ID 為 20A ， Rds=VDS/ID=0.5R =>Tj=150 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 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，這時候

10、就得想辦法把25 或者80 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 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

11、 ， 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 )，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從以上得到的參數可以計算由：1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10A-2=149.6 C2 處的 Tj 約為：25+600*8.5*2.4*10A-2=147.4 MOSFET datasheet 上往往只有Tc=25 和

12、80時的SOA ，但實際應用中不會剛好就是在 Tc=25 或者 80， 這時候就得想辦法把25 或者80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 時的SOA轉換成100時的曲線：1). 在 25的 SOA 上任意取一點，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=5192(a)PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -> 此圖對應為Tc=25 ( b)( a) ，( b)聯(lián)立， 可以求得 ZthJC=(Tj_max-25)/PD=

13、0.0242). 對于同樣的tp 的 SOA 線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC 保持不變， Tc=100，ZthJC=0.024.3).上圖中 1 點電壓為 88V, Tc=100C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). 同樣的方法可以算出電壓為600V, Tc=100C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，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 時的其他限制條件)這里的重點就是 ZthJC ，瞬態(tài)熱阻

14、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 singlepulse對應的瞬態(tài)熱阻）2.當tp8AvalancheEAS :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 雪崩的產生：在 MOSFE

15、T 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三極管不起作用， 如減小 P+Body 中的橫向電阻RB 。正常情況下，流過 RB 的電流很小，寄生三極管的 VBE 約等于0，三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 。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

16、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：其中， 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：計算由來 EAS后，對比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內，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EAR ：上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.計算由來 EAR后，對比datasheet上的 EAR 值， 若在datasheet 的范圍內，則可認為是安全

17、的 (此處默認重復雪崩電流同時也得考慮結溫的影響 9 體內二極管參數 VSD ，二極管正向壓降=>這個參數不是關注的重點,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，越小越好，trr 越小此值也會小 10 不同拓撲 MOSFET 的選擇針對不同的拓撲，對 MOSFET 的參數有什么不同的要求呢？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

18、(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M