理解功率MOSFET的電流

1、理解功率MOSFET的電流通常，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁，列出了連續(xù)漏極電流 ID,脈沖漏極電流IDM ,雪 崩電流IAV的額定值，然而對于許多電子工程師來說，他們對于這些電流值的定義以及在實(shí)際 的設(shè)計(jì)過程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統(tǒng)的 闡述這些問題，并說明在實(shí)際的應(yīng)用過程中如何考慮這些因素，最后給出選取它們的原則。功率MOSFET的連續(xù)漏極電流連續(xù)漏極電流在功率 MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對于功率MOSFET來說，通常連續(xù)漏極 電流ID是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對于底部有裸露銅皮的封裝 DPAK, TO22

2、0, D2PAK, DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻 RO J餛一個(gè)確定值，根據(jù)硅片 允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25C,就可以得到器件允許的最大的功耗 PD:當(dāng)功率MOSFET流過最大的連續(xù)漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為 PD:因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流 ID的計(jì)算公式：其中，RDS(ON)_TJ(max)為在最大工作結(jié)溫TJ下，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻；通常，硅片允 許的最大工作結(jié)溫為150C。需要說明的是：上述的電流是基于最大結(jié)溫的計(jì)算值；事實(shí)上，它 還要受到封裝的限制。在數(shù)據(jù)表中，許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續(xù)漏極電流，而有些公司

3、表示的是基于最大結(jié)溫的電流， 那么它通常會在數(shù)據(jù)表注釋中進(jìn)行說明， 并示出基于封裝 限制的最大的連續(xù)漏極電流。在公式(1)中，需要測量器件的熱阻 RO JC對于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測試的， 通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的封裝，等效 熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝，如 SOT23, SO8等，圖1中的RO JC通常要改 變?yōu)镽O JL RO JL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。圖1等效熱阻模型功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對應(yīng)著 一定的二極管的壓降，

4、通常，二極管的壓降和溫度曲線需要進(jìn)行校準(zhǔn)。測試時(shí)，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過一定的電流，當(dāng)器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)， 測量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。通過二極管的壓降和通過的電流，可以計(jì)算功耗；通過二極管的壓降可以查到結(jié)溫，根據(jù)功耗、 結(jié)溫和器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，可以計(jì)算得到RO JC或RO JL根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度，還可以計(jì)算得到 RO JA特別強(qiáng)調(diào)的是,RO JC不是結(jié)到器件的塑料外殼溫度。RO JA是器件裝在一定尺寸的PCB板測量 的值，不是只靠器件本身單獨(dú)散熱時(shí)的測試值。 實(shí)際的應(yīng)用中，通常RO JT

5、+RO JA>>RO JC+即CA 器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為： RO JAq RO JC+即CA熱阻RO JC確定了，就可以用公式（1）計(jì)算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID,當(dāng)環(huán)境溫 度升高時(shí)，相應(yīng)的ID的值也會降低。裸露銅皮的封裝，使用RO JC或RO JA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，通?？梢栽龃笊崞鳎岣?器件通過電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用RO J或RO JA來校核功率MOSFET的結(jié) 溫，其散熱的能力主要受限于晶片到 PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實(shí)際的設(shè)計(jì) 過程中，要計(jì)算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管

6、的損耗等，然 后再根據(jù)功耗和熱阻來校核結(jié)溫，保證其結(jié)溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。上述計(jì)算過程中，ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來計(jì)算的，實(shí)際的 ID還要受到封裝的影響，特 別是底部具有裸露銅皮的封裝。封裝限制通常是指連接線的電流處理能力。 對于額定的連接線的電流限制，常用的方法是基于連 接線的熔化溫度。當(dāng)連接線的溫度大于 220C時(shí)，會導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下， 硅電阻高于線的電阻的10倍以上，大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結(jié)溫 通常要低于220C,因此不會存在連接線的熔化問題。連接線的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會發(fā) 生。有裸露銅皮器件在封裝過程中硅片通過

7、焊料焊在框架上， 焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平 整度會使局部的連接電阻分布不均勻， 通過連接線連接硅片的管腳，在連接線和硅片結(jié)合處會產(chǎn) 生較高的連接電阻，因此實(shí)際的連續(xù)漏極電流 ID會小于數(shù)基于結(jié)溫計(jì)算的電流?；诜庋b限制 的電流是測試的實(shí)際工作的最大電流， 因此，在數(shù)據(jù)表中，寄生二極管的電流通常也用這個(gè)值表 示。功率MOSFET的脈沖漏極電流脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IDM，對于這個(gè)電流值，許多工程師不明白它 是如何定義的。通常，功率MOSFET也可以工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)。如果功率 MOSFET穩(wěn)態(tài)工作在 可變電阻區(qū)，此時(shí)，對應(yīng)的 VGS的放大恒流狀態(tài)的漏

8、極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大電流，因此在 導(dǎo)通過程中，功率MOSFET要經(jīng)過Miller平臺區(qū)，此時(shí)Miller平臺區(qū)的VGS的電壓對應(yīng)著系統(tǒng) 的最大電流。然后Miller電容的電荷全部活除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區(qū)， 最后，VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動電壓，Miller平臺區(qū)的電壓和系統(tǒng)最大電流的關(guān)系必須滿足功 率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。也就是，對于某一個(gè)值的 VGS1，在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為IDM1 ,器件不可能流過大于IDM1的電流，轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。這也表明，數(shù)據(jù)表中功率 MOSFET脈沖漏極電流額定值IDM對

9、應(yīng)著器件允許的最大的 VGS, 在此條件下，器件工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)時(shí)，器件能夠通過的最大漏極電流，同樣， 最大的VGS和IDM也要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。另外，最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結(jié)溫的限制，IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下，功率 MOSFET的結(jié)溫可能會超出范圍。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻，可以滿足最大 結(jié)溫的限制。因此IDM要滿足兩個(gè)條件：（1）在一定的脈沖寬度下，基于功率 MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸 出特性的真正的單脈沖最大電流測量值；（2）在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和最大結(jié)溫 的計(jì)算值。數(shù)據(jù)表通常取二者中較小的一個(gè)。功率

10、MOSFET的數(shù)據(jù)表后面通常列出了瞬態(tài)的熱阻的等效圖。因?yàn)閂GS限定的漏極的電流，單純的考慮IDM對于實(shí)際應(yīng)用沒有太多的參考價(jià)值，因?yàn)閷?shí)際的 應(yīng)用中，柵極的驅(qū)動電壓通常小于最大的額定電壓。同樣的，在實(shí)際的柵極驅(qū)動電壓下，單純的 考慮電流也沒有意義，而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。IDM和實(shí)際的應(yīng)用最相關(guān)的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路，因此，在系統(tǒng)控制器的柵驅(qū)動電壓下，測試短路時(shí)最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。 通常在設(shè)計(jì)過程中，使系統(tǒng)短路保護(hù)時(shí)間小于1/31/2的上 述的持續(xù)時(shí)間，這樣才能使系統(tǒng)可靠。事實(shí)上，對于大電流，在導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷的過程，由于芯片內(nèi)部的不平衡或其他一些至今還沒 有理論可以解釋的原因，即

11、使芯片沒有超過結(jié)溫，也會產(chǎn)生損壞。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，要盡量的使短路保護(hù)的時(shí)間短，以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖擊。具體方法就是減小短路保護(hù)回路的延時(shí)，中斷響應(yīng)的時(shí)間等。在不同的柵級電壓下測量短路電流，測試波形如圖2所示，采用的功率 MOSFET為AOT266。圖2(a): VGS電壓為13V,短路電流達(dá)1000A, MOSFET在經(jīng)過47 s后電流失控而損壞；圖2(b):VGS電壓為8V,短路電流僅為500A, MOSFET在經(jīng)過68 后電流失控而損壞。電流測試使用 了 20:1的電流互感器，因此電流為200A/格。圖2 AOT266短路測試波形可以的看到，VGS =13V，最大電流為10

12、00A，持續(xù)的時(shí)間為47“ VGS =8V，最大電流為500A, 持續(xù)的時(shí)間為688功率MOSFET的雪崩電流雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV，雪崩能量代表功率 MOSFET抗過壓沖擊的能 力。在測試過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率 MOSFET開通的時(shí)間增 加，然后關(guān)斷，直到功率 MOSFET損壞，對應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保 證的參數(shù)。一些功率 MOSFET供應(yīng)商會對這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線上做 100%全部檢測，因?yàn)橛薪殿~， 因此不會損壞器件。注意：測量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關(guān)狀態(tài)下，