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工程師必看：MOSFET規格書深入分析

發布時間：2019-05-10 責任編輯：xueqi

【導讀】本文的目的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規格書/datasheet 的理解和一些觀點，有什麼錯誤、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。

作為一個電子工程師、技術人員，相信大家對 MOSFET 都不會陌生。

工程師們要選用某個型號的 MOSFET，首先要看的就是規格書/datasheet，拿到 MOSFET 的規格書/datasheet 時，我們要怎麼去理解那十幾頁到幾十頁的內容呢？

本文的目的就是為了和大家分享一下我對 MOSFET 規格書/datasheet 的理解和一些觀點，有什麼錯誤、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. 後續內容中規格書/datasheet 統一稱為 datasheet

2. 本文中有關 MOSFET datasheet 的數據截圖來自英飛淩 IPP60R190C6 datasheet

1、VDS

Datasheet 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，是不是表示設計中隻要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態?

相信很多人的答案是“是!”，曾經我也是這麼認為的，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，也就是隻有在Tj=25℃時，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態。

MOSFET V(BR)DSS是正溫度係數的，其實datasheet上有一張V(BR)DSS與Tj的關係圖，如下：

要是電源用在寒冷的地方，環境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V(BR)DSS值<560V，這時候600V就已經超過MOSFET耐壓了。

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MOSFET V(BR)DSS值變小了，另外一點是為了應對各種惡例條件下開關機的VDS電壓尖峰。

2、ID

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)是有著直接聯係的，那麼它們之間有什麼關係呢？

在說明 ID 和 Rds(on)的關係之前，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) 對於高壓 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) 對於低壓 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 -->對於一些對體積要求嚴格的電源，貼片 MOSFET 就顯得有優勢了

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，MOSFET ID和Rds(on)的關係:

(1) 封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關係

(2) MOSFET通過電流ID產生的損耗

(1), (2)聯立，計算得到ID和Rds_on的關係

今天看到一篇文檔，上麵有提到MOSFET的壽命是跟溫度有關的。（下圖紅色框中）

3、Rds（on）

從MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds(on)增大，即Rds(on)是正溫度係數，MOSFET的這一特性使得MOSFET易於並聯使用。

4、Vgs(th)

相信這個值大家都熟悉，但是Vgs(th)是負溫度係數有多少人知道，你知道嗎？(下麵兩圖分別來自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。但對於低壓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1.2V~2V，高溫時最低都要接近0.8V了，這樣隻要在Gate有一個很小的尖峰就可能誤觸發MOSFET開啟從而引起整個電源係統異常。

所以，低壓MOSFET使用時一定要留意Vgs(th)的這個負溫度係數的特性！！

5、Ciss, Coss, Crss

MOSFET 帶寄生電容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

Ciss, 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，減小死區時間可以提高效率，但過小的死區時間會導致無法實現 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 ZVS，死區時間也可以適當減小，從而提升效率。

6、Qg, Qgs, Qgd

從此圖中能夠看出：

1. Qg並不等於Qgs+Qgd！！

2. Vgs高，Qg大，而Qg大，驅動損耗大

7、SOA

SOA曲線可以分為4個部分：

1). Rds_on的限製，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℃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表現為Tj_max時RDS(on)的限製.

MOSFET datasheet上往往隻有Tc=25和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？有興趣的可以發表一下意見......

2).最大脈衝電流限製，如下圖紅色線附近部分

此部分為MOSFET的最大脈衝電流限製，此最大電流對應ID_pulse.

3). VBR(DSS)擊穿電壓限製，如下圖紅色線附近部分

此部分為MOSFET VBR(DSS)的限製，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製，如下圖紅色線附近部分

上述曲線是怎麼來的？這裏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℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC為瞬態熱阻.

SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時間是10us即10^-5s，從瞬態熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2

從以上得到的參數可以計算出：

1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃

2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃

MOSFET datasheet上往往隻有Tc=25和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）聯立，可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024

2). 對於同樣的tp的SOA線上，瞬態熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024.

3). 上圖中1點電壓為88V，Tc=100℃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=23.67A

4). 同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃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（當然這裏得到的SOA還需要結合Tc=100℃時的其他限製條件）

這裏的重點就是ZthJC，瞬態熱阻在同樣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/瞬態熱阻計算：

1. 當占空比D不在ZthJC曲線中時，怎麼計算？

2. 當tp<10us是，怎麼計算？

1). 當占空比D不在ZthJC曲線中時：（其中，SthJC(t)是single pulse對應的瞬態熱阻）

2. 當tp<10us時：

8、Avalanche

EAS：單次雪崩能量，EAR：重複雪崩能量，IAR：重複雪崩電流

雪崩時VDS,ID典型波形：

上圖展開後，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有一個明顯的平台

MOSFET雪崩的產生：

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約等於0，三極管是處在關閉狀態。雪崩發生時，如果流過RB的雪崩電流達到一定的大小，VBE大於三極管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在以下兩個方麵：

1. 最大雪崩電流 ==>IAR

2. MOSFET的最大結溫Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起發熱導致的溫升

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：

計算出來EAS後，對比datasheet上的EAS值，若在datasheet的範圍內，則可認為是安全的（當然前提是雪崩電流<IAR）同時，還得注意，EAS隨結溫的增加是減小的，如下圖：

2）重複雪崩能量 EAR：

上圖為典型的重複雪崩波形，對應的重複雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS.

計算出來EAR後，對比datasheet上的EAR值，若在datasheet的範圍內，則可認為是安全的（此處默認重複雪崩電流<IAR），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，二極管反向回複時間 ==>越小越好，Qrr，反向恢複電荷 ==>Qrr大小關係到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的參數有什麼不同的要求呢？怎麼選擇適合的MOSFET？

歡迎大家發表意見，看法

1). 反激：

反激由於變壓器漏感的存在，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。通常對於全電壓的輸入，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開通時的穀底電壓盡量低，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) 對於PFC、雙管正激等常見硬開關拓撲，MOSFET沒有像反激那麼高的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有利於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MOSFET開通前讓MOSFET的體二極管提前開通實現的。由於二極管的提前導通，在MOSFET開通時二極管的電流存在一個反向恢複，若反向恢複的時間過長，會導致上下管出現直通，損壞MOSFET。因此在這一類拓撲中，我們需要選擇trr，Qrr小，也就是選擇帶有快恢複特性的體二極管的MOSFET。

4). 防反接，Oring MOSFET

這類用法的作用是將MOSFET作為開關，正常工作時管子一直導通，工作中不會出現較高的頻率開關，因此管子基本上無開關損耗，損耗主要是導通損耗。選擇這類MOS時，我們應該主要考慮Rds(on)，而不去關心其他參數。

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