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(shù)人員,相信大家對MOSFET都不會陌生.在電源論壇中,關(guān)于MOSFET的帖子也應(yīng)有盡有：MOSFET結(jié)構(gòu)特點/工作原理、MOSFET驅(qū)動技術(shù)、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.工程師們要選用莫個型號的MOSFET,首先要看的就是規(guī)格書/datasheet,拿至fjMOSFET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/datasheet的理解和一些觀點,有什么錯誤、不當(dāng)?shù)牡胤秸埓蠹?/p>

2、指由,也希望大家分享一下自己的一些看法,大家一起學(xué)習(xí).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(guān)MOSFETdatasheet的數(shù)據(jù)截圖來自英飛凌IPP60R190C6datasheetlVDSDatasheet上電氣參數(shù)第一個就是V(BR)DSS,即DS擊穿電壓,也就是我們關(guān)心的MOSFET的耐壓此處V(BR)DSS的最小值是600V,是不是表示設(shè)計中只要MOSFET上電壓不超過600VMOSFET就能工作在平安狀態(tài)相信很多人的答案是“是！,曾經(jīng)我也是這么認(rèn)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=25C的值,也

3、就是只有在Tj=25C時,MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在平安狀態(tài).MOSFETV(BR)DSS是正溫度系數(shù)的,其實datasheet上有一張V(BR)DSS與Tj的關(guān)系圖(Table17),如下：要是電源用在嚴(yán)寒的地方,環(huán)境溫度低到-40C甚至更低的話,MOSFETV(BR)DSS值所以在MOSFET使用中,我們都會保存一定的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(yīng)對各種惡例條件下開關(guān)機(jī)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(比方20N60),慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds(on)和電壓的

4、命名方式(比方IPx60R190C6,190就是指Rds(on).其實從電流到Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就說明ID和Rds(on)是有著直接聯(lián)系的,那么它們之間有什么關(guān)系呢在說明ID和Rds(on)的關(guān)系之前,先得跟大家聊聊封裝和結(jié)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->比方：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)對于高壓MOSFET還得考慮爬電距離->高壓的MOSFET就沒有SO-8封裝的,由于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,

5、寄生電感往往會影響到驅(qū)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(yán)格的電源,貼片MOSFET就顯得有優(yōu)勢了2).結(jié)溫：MOSFET的最高結(jié)溫Tj_max=150C,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(guān)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(guān)系(2)MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗(1),聯(lián)立,計算得到ID和Rds_on的關(guān)系今天看到一篇文檔,上面有提到MOSFET的壽命是跟溫度有關(guān)的.(下列圖紅色框中)3Rds(on)從MOSFETRds(on

6、)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(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(fù)溫度系數(shù)有多少人知道,你知道嗎(下面兩圖分別來自BSC010NE2LS和IPP075N15N3Gdatasheet.心目信會有很多人沒有注意到Vgs(th)的這一特性,這也是正常的,由于高壓MOSFET的datasheet中壓根就沒有這個圖,這一點可能是由于高壓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

7、(th)在常溫時就很低,比方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(fù)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,如下列圖：在LLC拓?fù)渲?減小死區(qū)時間可以提升效率,但過小的死區(qū)時間會導(dǎo)致無法實現(xiàn)ZVS.因此選擇在VDS在低壓時Coss較小的

8、MOSFET可以讓LLC更加容易實現(xiàn)ZVS,死區(qū)時間也可以適當(dāng)減小,從而提升效率.6Qg,Qgs,Qgd從此圖中能夠看由：1.Qg并不等于Qgs+Qgd!2.Vgs高,Qg大,而Qg大,驅(qū)動損耗大7SOASOA曲線可以分為4個局部：1).Rds_on的限制,如下列圖紅色線附近局部此圖中：當(dāng)VDS=1V時,Y軸對應(yīng)的ID為2A,Rds=VDS/ID=0.5R=>Tj=150C時,Rds(on)約為0.5R.當(dāng)VDS=10V時,Y軸對應(yīng)的ID為20A,Rds=VDS/ID=0.5R=>Tj=150C時,Rds(on)約為0.5R.所以,此局部曲線中,SOA表現(xiàn)為Tj_max時RDS(o

9、n)的限制.MOSFETdatasheet上往往只有Tc=25和80C時的SOA,但實際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80C,這時候就得想方法把25c或者80c時的SOA轉(zhuǎn)換成實際Tc時的曲線.怎樣轉(zhuǎn)換呢有興趣的可以發(fā)表一下意見.2).最大脈沖電流限制,如下列圖紅色線附近局部此局部為MOSFET的最大脈沖電流限制,此最大電流對應(yīng)ID_pulse.3).VBR(DSS)擊穿電壓限制,如下列圖紅色線附近局部此局部為MOSFETVBR(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,如下列圖紅色線附近局部上述曲

10、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(jié)溫不超過Tj_max(150C),Tj_max=Tc+PD*ZthJC,ZthJC為瞬態(tài)熱阻.SOA圖中,D=0,即為singlepulse,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)可以計算由：1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10A-2=149.6C2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10A-2=147.

11、4CMOSFETdatasheet上往往只有Tc=25和80c時的SOA,但實際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80C,這時候就得想方法把25c或者80c時的SOA轉(zhuǎn)換成實際Tc時的曲線.怎樣轉(zhuǎn)換呢有興趣的可以發(fā)表一下意見把25c時的SOA轉(zhuǎn)換成100c時的曲線：1).在25c的SOA上任意取一點,讀生VDS,ID,時間等信息如上圖,1處電壓、電流分別為：88V,59A,tp=10us計算由對應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192(a)PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC->此圖對應(yīng)為Tc=25C(b)(a),(b)聯(lián)立,可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD

12、=0.0242).對于同樣的tp的SOA線上,瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變,Tc=100C,ZthJC=0.024.3).上圖中1點電壓為88V,Tc=100C時,PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083從而可以算由此時最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A4).同樣的方法可以算由電壓為600V,Tc=100C時的最大電流5).把電壓電流的坐標(biāo)在圖上標(biāo)由來,可以得到10us的SOA線,同樣的方法可以得到其他tp對應(yīng)的SOA(當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100C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(jié)合功耗,得到

13、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(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時,怎么計算2.當(dāng)tp1).當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時：(其中,SthJC(t)是singlepulse對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻2.當(dāng)tp8AvalancheEAS:單次雪崩能量,EAR:重復(fù)雪崩能量,IAR:重復(fù)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(chǎn)生：在MOSFET的結(jié)構(gòu)中,實際上是存在一個寄生三極管的,如上圖.在MOSFET的設(shè)計中也會采取各種舉措去讓寄生三極管不起作用,如減

14、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(guān)閉狀態(tài).雪崩發(fā)生時,如果流過RB的雪崩電流到達(dá)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(guān)斷,從而損壞MOSFETo因此,MOSFET的雪崩水平主要表達(dá)在以下兩個方面：1.最大雪崩電流=>IAR2.MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max=>EAS、EAR雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)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(yīng)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

15、路如下：計算由來EAS后,比照datasheet上的EAS值,假設(shè)在datasheet的范圍內(nèi),那么可認(rèn)為是平安的當(dāng)然前提是雪崩電流同時,還得注意,EAS隨結(jié)溫的增加是減小的,如下列圖：2重復(fù)雪崩能量EAR:上圖為典型的重復(fù)雪崩波形,對應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：其中,VBR=1.3BVDSS.計算由來EAR后,比照datasheet上的EAR值,假設(shè)在datasheet的范圍內(nèi),那么可認(rèn)為是平安的此處默認(rèn)重復(fù)雪崩電流同時也得考慮結(jié)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(guān)注的重點,trr,二極管反向回復(fù)時間=>越小越好,Qrr,反向恢復(fù)電荷=>Qrr大小關(guān)系到

16、MOSFET的開關(guān)損耗,越小越好,trr越小此值也會小10不同拓?fù)銶OSFET的選擇針對不同的拓?fù)?對MOSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢怎么選擇適合的MOSFET?歡送大家發(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.假設(shè)是QR反激,為了提升效率,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800VMOSFETo2,PFC、雙管正激等硬開關(guān)：a對于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓?fù)?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(guān)拓?fù)銶OSFET存在較大的開關(guān)損耗,為了降低開關(guān)損耗,我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFETo而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度,選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗3) .LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)洌篖LC、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)涞能涢_關(guān)是通過諧振,在MOSFET開通