三極管和MOSFET選型規(guī)范-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯三極管和MOSFET選型規(guī)范-基礎(chǔ)電子1.三極管和MOSFET器件選型原則1.1三極管及MOSFET分類簡介類型類型細(xì)分應(yīng)用場景三極管射頻信號三極管射頻開關(guān)及射頻小信號放大三極管普通小信號三極管小信號回路開關(guān)及信號放大三極管功率三極管功率回路開關(guān)，推挽放大MOSFET小信號MOSFET小信號回路開關(guān)MOSFET功率MOSFET（=250V）AC-DC,DC-DC電源模塊MOSFET功率MOSFET（600V~650V）AC-DC電源模塊MOSFET功率MOSFET（800V~1000V）AC-DC電源模塊，UPS，逆變器MOSFET功率MOSFET（1000V~1700V）空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動電路MOSFET功率MOSFET（SIC）=600VAC-DC電源模塊（高效率）MOSFET功率MOSFET（GAN）（100V~600V）超高頻領(lǐng)域（1Mhz以上），更高Powerdensity的應(yīng)用領(lǐng)域。1.1.1三極管選型原則行業(yè)發(fā)展總趨勢為：小型化、表貼化，高頻化，高效率化，集成化，綠色化。重點(diǎn)突出小型化和表貼化。近年來，隨著MOSFET的發(fā)展，在低功率高速開關(guān)領(lǐng)域，MOSFET正逐步替代三極管，行業(yè)主流廠家對三極管的研發(fā)投入也逐年減少，在芯片技術(shù)方面基本沒有投入，器件的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在晶圓工藝的升級（6inchwafer轉(zhuǎn)8inchwafer）及封裝小型化及表貼化上。另外，相對普通三極管，RF三極管的主要發(fā)展方向是低壓電壓供電，低噪聲，高頻及高效。選型原則如下：1）禁選處于生命周期末期的插件封裝器件，如TO922）優(yōu)選行業(yè)主流小型化表貼器件，如SOT23，STO323，SOT523等，對于多管應(yīng)用，優(yōu)先考慮雙管封裝如SOT363及SOT5633）對于開關(guān)應(yīng)用場景，優(yōu)先考慮選用MOSFET4）射頻三極管優(yōu)選低電壓供電，低噪聲，高頻及高效器件。1.1.2MOSFET選型原則行業(yè)技術(shù)發(fā)展總趨勢為：小型化、表貼化，高頻化，高功率密度化，高效率化，高可靠性，集成化，綠色化。重點(diǎn)突出高頻化，高功率密度化，高可靠性及集成化。行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在MOSFET芯片材料，晶圓技術(shù)，芯片技術(shù)及封裝技術(shù)的演進(jìn)及發(fā)展。選型原則如下：禁止選用處于生命周期末期的插件封裝器件（能源用TO220，TO247除外）及封裝為SO8，DPAK的表貼器件。對于信號MOSFET推薦選用柵極集成TVS保護(hù)的小型化表貼器件。1）對于Vds=250V的功率MOSFET單管優(yōu)選行業(yè)主流無引腳表貼功率封裝POWERPAK5X6及POWERPAK3X3，在散熱不滿足要求的情況下可考慮翼型帶引腳表貼封裝D2PAK；Buck上下管集成方案優(yōu)選下管sourcingdownPOWERPAK5X6dual封裝；電源模塊考慮到器件散熱問題，可選行業(yè)主流插件封裝TO220對于緩起及熱插拔應(yīng)用，選用器件時請重點(diǎn)評估器件是否工作在其安全工作區(qū)域開關(guān)應(yīng)用需同緩起，熱插拔及ORing應(yīng)用區(qū)分選型超高頻領(lǐng)域（1MHz以上），可考慮用GANMOS替代，從而提高效率降低系統(tǒng)面積。2）對于Vds介于600V~650V的高壓功率MOSFET，其用于AC電源模塊優(yōu)先考慮選用Vds為650V的器件；封裝根據(jù)電源模塊散熱及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求推薦選用表貼器件POWERPAK8X8及插件TO247，未來還可考慮表貼器件POWERPAK5X6；對于在電路中工作頻率不高的場景如當(dāng)前PFC電路，優(yōu)選寄生二極管不帶快恢復(fù)特性的MOSFET（如INFINEONC3，C6，P6系類），對于電路中工作頻率較高的場景如LLC電路，優(yōu)選寄生二極管帶恢復(fù)特性的MOSFET（如INFINEONCFD系列）；對于電源效率要求不是特別高的場景，部分MOSFET可以考慮用高速IGBT替換，達(dá)到降成本的目的。對于高效模塊，可考慮選用SICMOSFET替代傳統(tǒng)SiMOSFET，達(dá)到提升電源工作效率的目的；對于Vds高于800V的MOSFET，如果Id大于5A，建議考慮選用IGBT，如果Id小于5A，建議選用行業(yè)主流封裝TO247，TO220或D2PAK；原則上禁止選用耗盡性JFET，如遇到特殊電流需使用，請?jiān)谛袠I(yè)主流封裝SOT23Z中選擇。2.三極管和MOSFET器件選型關(guān)鍵要素2.1.三極管選型關(guān)鍵要素三極管在電路中有放大和開關(guān)兩種作用，目前在我司的電路中三極管主要起開關(guān)作用。在選擇三極管的時候，從以下幾個方面進(jìn)行考慮：參數(shù)、封裝、性能（低壓降、低阻抗、高放大倍數(shù)、高開關(guān)效率）1）參數(shù)的選擇：三極管有很多參數(shù)，選型對于三極管的參數(shù)沒有特殊的要求，需要關(guān)注的參數(shù)有Vceo、Vcbo、Vebo、Ic(av)、Pd、Hef。比較重要的參數(shù)是Vceo、Ic(av)，對于Vceo的值有時廠家會給Vces的值，不能用Vces的值作為Vceo，因?yàn)閂ces=VcboVceo。如果器件的電壓和電流值在降額后滿足需求，Pd可以不用過多的去考慮（三極管做放大用、作電壓線性轉(zhuǎn)化以及三極管功率比較大的場合需要考慮Pd）。在滿足降額規(guī)范要求的前提下，考慮輸出電流和相應(yīng)的耗散功率，擊穿電壓大小，放大倍數(shù)等參數(shù)。同時，應(yīng)盡量選用熱阻小，允許結(jié)溫高的器件。2）封裝：三極管的封裝的發(fā)展趨勢是小型化、表貼化、平腳化、無引腳化。封裝質(zhì)量優(yōu)劣的是用芯片面積與封裝面積的比值來判斷的，比值越接近1越好。目前三極管小封裝是sot883（DFN1006-3），優(yōu)選封裝有sot883、sot663、sot23、sot89、sot223、sot666。由于三極管的功率需求越來越小，所以小封裝三極管是其引進(jìn)的一個方向，在參數(shù)滿足規(guī)格的前提下盡量選擇小封裝。3）性能：選擇低Vce（sat）的、低阻抗的器件。目前NXP、ON、ZETEX等均推出了低飽和壓降的器件，在選型時可以優(yōu)先考慮。2.2.MOSFET選型關(guān)鍵要素2.2.1電壓極限參數(shù)1）漏源擊穿電壓V(BR)DSS：漏源擊穿電壓V(BR)DSS一般是在結(jié)溫Tj=25℃下，VGS=0V，ID為數(shù)百A下的測試值，由于V(BR)DSS和Rds(on)成反比，因此多數(shù)廠家MOSFET的上限為1000V。V(BR)DSS與溫度有關(guān)，Tj上升100℃，V(BR)DSS約線性增加10%。反之，Tj下降時，V(BR)DSS以相同比例下降。這一特性可以看作MOSFET的優(yōu)點(diǎn)之一，它保證了內(nèi)部成千上萬個元胞在雪崩擊穿時，難以使雪崩電流密集于某一點(diǎn)而導(dǎo)致器件損壞（不同于功率三極管）。2）大額定柵源電壓VGS柵源之間的SiO2氧化層很薄，因此在二者之間加上不高的電壓就會在內(nèi)部形成很高的電場，而電場超過SiO2材料的承受能力便發(fā)生擊穿導(dǎo)致器件失效。大額定柵源電壓VGS多數(shù)廠家資料為20V，（對于低驅(qū)動電壓的低壓MOSFET一般為10V）。目前很多廠對于高驅(qū)動電壓MOSFET已將此極限電壓提高到30V。SICMOSFET則多為10V~25V間，啟動電壓不對稱，選用時需注意驅(qū)動部分的設(shè)計。2.2.2影響損耗的主要參數(shù)對于MOSFET，當(dāng)頻率小于100KHz時，主要是導(dǎo)通損耗占的比重大。因此影響損耗的主要參數(shù)為通態(tài)電阻Rds(on)。一般廠家給出的Rds(on)值，是在規(guī)定的VGS（如10V）ID（一般為標(biāo)稱電流值）、Tj（一般為25℃）條件下的值。對于Rds(on)，有以下特性：對生產(chǎn)廠家來說，在相同設(shè)計及工藝條件下，如果提高M(jìn)OSFET的Rds(on)值，會導(dǎo)致Rds(on)升高。Rds(on)值隨著結(jié)溫升高而近似線性升高。其結(jié)果是導(dǎo)致?lián)p耗增加，例如下圖IRF640的Rds(on)與Tj關(guān)系圖，如果結(jié)溫在120℃時，Rds(on)值將是25℃時的1.8倍。因此導(dǎo)通損耗I2*Rds(on)也將增加到1.8倍；相對于SiMOSFET，SiCMOSFET由于其禁帶寬度較SiMOSFET寬，所以其溫度特性明顯優(yōu)于SiMOSFET。在150℃的條件下，SICMOSFET的Rds(on)僅僅比在25℃條件下增加20%。

圖1Rds(on)與Tj關(guān)系圖與VGS的關(guān)系：為了將Rds(on)降低到小，至少VGS要提高到10V（4V驅(qū)動的產(chǎn)品約外加5V）才可降到小。此外，即使將VGS提高到12V~15V以上，也不會對Rds(on)的降低起多大作用（如果在占空比小的情況下有接近或超出直流額定電流的運(yùn)用，另當(dāng)別論），不必要地增大這種柵壓，會加大充電電流，增加驅(qū)動損耗，并容易在柵源間發(fā)生尖峰電壓。增加?xùn)旁磽舸┑氖Ц怕?。因此對于一般的MOSFET，12V驅(qū)動即可。相同的結(jié)溫下，隨著ID增大，Rds(on)有輕微增大。計算功耗時，可以忽略該變化。在實(shí)際使用中，如果增大ID值，導(dǎo)致發(fā)熱上升，那是因?yàn)樯釛l件（熱阻）不變，ID增加，功耗P=I2*Rds(on)增加，結(jié)溫升高，Rds(on)隨之升高，進(jìn)一步加大功耗。另外，當(dāng)頻率超過100KHz后，開關(guān)損耗所占的比例不能忽視，這時就必須注意器件本身的柵極電荷Qg，輸出電容Coss，以及柵極驅(qū)動電阻對開關(guān)損耗的影響。特別是通態(tài)電阻越小的MOSFET，通常其元胞密度就越大，因此Qg、Coss就會越大，這就會增大開關(guān)損耗。近來，由于MOSFET的應(yīng)用頻率進(jìn)一步提高，在低壓大電流的MOSFET生產(chǎn)上，還需注意從工藝設(shè)計上改善MOSFET內(nèi)部寄生的Rg，以降低MOSFET的開關(guān)損耗，提高應(yīng)用頻率（或提高電流）2.2.3電流處理能力參數(shù)限制電流處理能力的終因素是大可允許結(jié)溫（通常廠家規(guī)定為150℃）。一般用可持續(xù)直流漏極電流ID、額定峰值電流IDM來表征。1）可持續(xù)直流漏極電流ID實(shí)際可允許大ID值是決定于Rds(on)、結(jié)-殼熱阻RJC（它決定于器件的芯片封裝材料及工藝水平）、大可允許結(jié)溫Tj，以及殼溫Tc等機(jī)構(gòu)參數(shù)。它們滿足一下公式：I2*Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc其中Rds(on)、Rjc、Tjmax由器件本身的特性決定，Tc則與設(shè)計有關(guān)，如散熱條件、功耗等（注：可允許大漏極功耗Pd=I2*Rds(on)=(Tjmax-Tc)/Rjc）。一般廠家資料給出的是殼溫下的ID值，另外有些廠家還給出了大ID和Tc之間的關(guān)系曲線。

圖2ID與Tc關(guān)系圖以IRF640為例，電流標(biāo)稱值為18A（Tc=25℃下），其ID和Tc的關(guān)系如上圖。由圖可見，當(dāng)殼溫有25℃變到125℃時，可見大直流漏極電流由18A下降到8A。必須注意，Tc=25℃下的ID僅僅具有參考意義（可以進(jìn)行不同管子之間的比較），因?yàn)樗羌俣ㄉ釛l件足夠的好，外殼溫度始終為25℃（在實(shí)際應(yīng)用中，根本不可能），從而根據(jù)公式I2*Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc推算出來的。但在實(shí)際應(yīng)用情況下，由于環(huán)境溫度和實(shí)際散熱條件的限制，殼溫通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25℃，且高結(jié)溫通常要保持在20℃以上的降額。因此，可允許直流漏極電流必須隨溫度升高而降額使用。2）額定峰值電流IDM如果電流脈沖或占空比較小時，則允許其超過ID值，但其脈沖寬度或占空比需要受到大可允許結(jié)溫的限制。一般廠家資料規(guī)定25℃下的額定峰值電流IDM值為ID值的四倍，并且是在VGS=20V下得到的。2.2.4與柵極驅(qū)動有關(guān)的參數(shù)由于在G、D、S各極之間存在不可避免的寄生電容。因此，在驅(qū)動時，該電容器有充放電電流和充放電時間，這便是驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗產(chǎn)生的根本原因。器件的開關(guān)特性通常以Qg來衡量。1）輸入電容Ciss、反向傳輸電容Crss、輸出電容Coss由于在G、D、S各極之間存在不可避免的寄生電容，因此，在驅(qū)動時，改電容器有充放電電流和充放電時間，這便是驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗產(chǎn)生的根本原因。器件的開關(guān)特性通常以Qg來衡量。1）輸入電容Ciss、反向傳輸電容Crss、輸出電容Coss

圖3MOSFET寄生電容如上圖，Ciss=Cgd+Cgs，Crss=Cgd，Coss=Cds+Cgd2）總的柵極電荷Qg它表示在開通過程中要達(dá)到規(guī)定的柵極電壓所需要的充電電荷。是在規(guī)定的VDS、ID及VGS（一般為10V）條件下測得的。由于彌勒效應(yīng)的存在，Cgd雖然比Cgs小很多，但在驅(qū)動過程中它起的作用大，因此客觀來講，考察MOSFET的Qg比考察Ciss等來得更為準(zhǔn)確一些。另外還有柵極電荷Qge、柵極電荷（彌勒電荷）Qgd兩個參數(shù)。如下圖以IRF640為例，示意它們的波形。

圖4柵極電荷與VG3）柵極電阻Rg，開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間tf同樣描述的是器件的開關(guān)性能，同時關(guān)系到器件的驅(qū)動損耗。其具體值與測試條件密切相關(guān)。比較不同的管子時尤其要引起注意。否則容易為廠家所誤導(dǎo)。2.2.5與可靠性有關(guān)的參數(shù)1）大可允許結(jié)溫Tjmax這是可靠性為重要的參數(shù)，對MOSFET，一般廠家都標(biāo)為150℃，也有125℃和175℃的特殊半導(dǎo)體器件。2）雪崩額定值由于漏感和分布電感以及關(guān)斷時的di/dt，可能會產(chǎn)生電壓尖峰從而強(qiáng)制MOSFET進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，VDS被鉗制在實(shí)際的擊穿電壓點(diǎn)，但如果進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)的實(shí)際很短，能量很小，器件本身則可以將其消耗掉而不至于損壞。有三個參數(shù)能表征這一特性，即可允許單次脈沖雪崩能量EAS、可允許重復(fù)脈沖雪崩能量EAS（脈寬受到大結(jié)溫限制）、發(fā)生雪崩時的初始大雪崩電流IAR。雪崩能量額定值隨結(jié)溫升高而顯著下降，隨發(fā)生雪崩時起始電流的增加而下降。如果器件工作時有雪崩情況，注意在老化工程中，由于結(jié)溫會相應(yīng)升高，雪崩能力會相應(yīng)下降，如果下降到一定程度則有可能是器件損壞，并且這種損壞通常只呈現(xiàn)一定的比例。（當(dāng)然也有可能是其它原因引起MOSFET損壞，如變壓器在高溫大電流下的磁飽和）3）柵極漏電流IGSS、漏極斷態(tài)漏電流IDSS這兩個參數(shù)在具體設(shè)計時可能用不到，但它限制了器件內(nèi)部工藝、材料的好壞，其值盡管可能是小到mA級或uA級，但比較器件時，通過測試它隨電壓變化（尤其是高溫下）的情況也可以比較判斷器件的優(yōu)劣。2.2.6與寄生源漏二極管有關(guān)的參數(shù)在某些電路可能要運(yùn)用到體內(nèi)二極管進(jìn)行續(xù)流，此時則需要考察二極管的參數(shù)。1）的dv/dt值體寄生二極管續(xù)流時，少子空穴也參與了導(dǎo)電，并且濃度很高，當(dāng)二極管導(dǎo)通周期結(jié)束，外電路使二極管反轉(zhuǎn)時，如果D、S之間的電壓上升過快，大量少子空穴有一部分來不及復(fù)合掉，引起橫向流過體區(qū)的電流，該電流在P+區(qū)和源區(qū)N+