快速讀懂功率MOSFET的電流應(yīng)用-功率MOSFET工作原理、結(jié)構(gòu)等詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-12-11
功率MOSFET是從小功率MOS管展開來的。但在結(jié)構(gòu)上，它們之間相差很大，為了更好天文解功率MOSFET的機(jī)理，首先來回想一下小功率場效應(yīng)管的機(jī)理。以下以N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)來說明MOS管的原理。
N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)表示圖
N溝道增強(qiáng)型MOS管是把一塊低摻雜的P型半導(dǎo)體作為襯底，在襯底上面用擴(kuò)散的方法構(gòu)成兩各重?fù)诫s的N＋區(qū)(qū)，然后在P型半導(dǎo)體上生成很薄的一層二氧化硅絕緣層，然后在兩個重?fù)诫s的N+區(qū)(qū)上端用光刻的辦法刻蝕掉二氧化硅層，顯露N+區(qū)(qū)，最后在兩個N+區(qū)(qū)的表面以及它們之間的二氧化硅表面用蒸發(fā)(fā)或者濺射的辦法噴涂一層金屬膜，這三塊金屬膜構(gòu)成了MOS管的三個電極，分別稱為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。
MOSFET的特性可以用轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線來表征。轉(zhuǎn)移特性是指在漏源之間的電壓UDS在某一固定值時，柵極電壓UGS與相對應(yīng)的漏極電流ID之間的關(guān)系曲線。圖3是某種場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性。
圖MOS管的漏極輸出特性場效應(yīng)晶體管的輸出特性可以劃分為四個區(qū)(qū)域：可變電阻區(qū)(qū)、截止區(qū)(qū)、擊穿區(qū)(qū)和恒流區(qū)(qū)。 可變電阻區(qū)(qū)（UDS）
在這個區(qū)(qū)域內(nèi)，UDS增加時，ID線性增加。在導(dǎo)電溝道接近夾斷時，增長變緩。在低UDS分開夾斷電壓較大時，MOS管相當(dāng)于一個電阻，此電阻隨著UGS的增大而減小。截止區(qū)(qū)（UGS）
擊穿區(qū)(qū)在相當(dāng)大的漏－源電壓UDS區(qū)(qū)域內(nèi)，漏極電流近似為一個常數(shù)(shù)。當(dāng)UDS加大道一定數(shù)(shù)值以后，漏極PN結(jié)發(fā)(fā)作擊穿，漏電流疾速增大，曲線上翹，進(jìn)入擊穿區(qū)(qū)。飽和區(qū)(qū)（UDS>UGS-UT）在上述三個區(qū)(qū)域保衛(wèi)(wèi)的區(qū)(qū)域即為飽和區(qū)(qū)，也稱為恒流區(qū)(qū)或放大區(qū)(qū)。功率MOSFET應(yīng)用在開關(guān)電源和逆變器等功率變換中，就是工作在截止區(qū)(qū)和擊穿區(qū)(qū)兩個區(qū)(qū)。
圖中MOSFET的結(jié)構(gòu)是不合適運用在大功率的場所，緣由是兩個方面的。一方面是結(jié)構(gòu)上小功率MOSFET三個電極在一個平面上，溝道不能做得很短，溝道電阻大。另一方面是導(dǎo)電溝道是由表面感應(yīng)電荷構(gòu)成的，溝道電流是表面電流，要加大電流容量，就要加大芯片面積，這樣的結(jié)構(gòu)要做到很大的電流可能性也很小。
為了抑止MOSFET的載流才干太小和導(dǎo)通電阻大的難題，在大功率MOSFET中通常采用兩種技術(shù)，一種是將數(shù)(shù)百萬個小功率MOSFET單胞并聯(lián)(lián)起來，進(jìn)步MOSFET的載流才干。另外一種技術(shù)就是對MOSFET的結(jié)構(gòu)中止改進(jìn)，采用一種垂直V型槽結(jié)構(gòu)。圖3是V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖在該結(jié)構(gòu)中，漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平方向活動，而是自重?fù)诫sN區(qū)(qū)（源極S）動身，經(jīng)(jīng)過P溝道流入輕摻雜N漂移區(qū)(qū)，最后垂直向下抵達(dá)漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，由于流通截面積增大，所以能經(jīng)(jīng)過大電流。在相同的電流密度下，體積也大大減少。
通常，在功率MOSFET的數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中的第一頁，列出了連續(xù)(xù)漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后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際的設(shè)計過程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)(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)(tǒng)的闡述這些問題,并說明了在實際的應(yīng)用過程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。
連續(xù)(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中表示為ID。對于功率MOSFET來說，通常連續(xù)(xù)漏極電流ID是一個計算值。
當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時，如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個確定值，根據(jù)(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25℃，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)(xù)漏極電流時，產(chǎn)(chǎn)生最大功耗為PD：
因此，二式聯(lián)(lián)立，可以得到最大的連續(xù)(xù)漏極電流ID的計算公式：
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150℃。
所以，連續(xù)(xù)漏極電流ID是基于硅片最大允許結(jié)溫的計算值，不是一個真正的測量值，而且是基于TC=25℃的計算值。RqJC，TC，這里的C: Case，是裸露銅皮，不是塑料外殼，實際應(yīng)用中TC遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25℃，有些應(yīng)用甚至高達(dá)120℃以上，因此ID只具有一定的參考價值。另外，連續(xù)(xù)的額定電流還要受封裝因素的限制：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,導(dǎo)線直徑對于流過的電流也有一定的限制。對于額定的連接線的電流限制，常用方法是基于連接線的熔化溫度。這并不正確的原因在于：當(dāng)連接線溫度大于220℃時，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，大部分熱產(chǎn)(chǎn)生于硅的表面，最熱的點在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220oC, 因此不會存在連接線熔化問題，連接線的熔化只有在器件損壞的時候才會發(fā)(fā)生。
有裸露銅皮器件在封裝過程中硅片通過焊料焊在框架上，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)(chǎn)生較高的連接電阻，因此實際的基于封裝限制連續(xù)(xù)漏極電流會小于基于最大結(jié)溫計算的電流。
在數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中，對于連續(xù)(xù)漏極電流有二種標(biāo)示法,不同的公司采用不同的方法：
(1) 數(shù)(shù)據(jù)(jù)表的表中，標(biāo)示基于最大結(jié)溫的計算值,通常在數(shù)(shù)據(jù)(jù)表底部的的注釋中，說明基于封裝限制的最大的連續(xù)(xù)漏極電流，如下圖所示，202A和75A。
(2) 直接在數(shù)(shù)據(jù)(jù)表的表中，標(biāo)示基于封裝限制的連續(xù)(xù)漏極電流，而不再使用注釋，如上面AON6590數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中，標(biāo)示的就是封裝限制的電流。
測量器件的熱阻，通常是將器件安裝在一個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RqJC通常要改變?yōu)镽qJL，RqJL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個管腳。
等效熱阻模型
RqJA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散熱時的測試值。實際的應(yīng)用中，通常RqJT+RqTA>>RqJC+RqCA，器件結(jié)到環(huán)(huán)境的熱阻通常近似為：RqJA=RqJC+RqCA。熱阻確定了就可以用公式計算功率MOSFET的電流值連續(xù)(xù)漏極電流ID，當(dāng)環(huán)(huán)境溫度升高時，計算ID的值相應(yīng)也會降低。
裸露銅皮的封裝，使用RqJC或RqJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，通?？梢栽齟笊崞?，提高器件通過電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用RqJL或RqJA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)(shù)據(jù)(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實際的設(shè)計過程中，要計算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再據(jù)(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。
脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中標(biāo)示為IDM，對于這個電流值，要結(jié)合放大特性來理解它的定義。
功率MOSFET工作也可以工作在飽和區(qū)(qū)，即放大區(qū)(qū)恒流狀態(tài)(tài)，此時，電流受到溝道內(nèi)電子數(shù)(shù)量的限制，改變漏極電壓不能增加流通電流。功率MOSFET從放大區(qū)(qū)進(jìn)入穩(wěn)(wěn)態(tài)(tài)工作可變電阻區(qū)(qū)，此時，VGS驅(qū)動電壓對應(yīng)的的放大恒流狀態(tài)(tài)的漏極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)(tǒng)的最大電流，因此在導(dǎo)通過程中，功率MOSFET要經(jīng)(jīng)過Miller平臺區(qū)(qū)，此時Miller平臺區(qū)(qū)的的電壓VGS對應(yīng)著系統(tǒng)(tǒng)的最大電流。
然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區(qū)(qū)，最后，VGS穩(wěn)(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動電壓，Miller平臺區(qū)(qū)的電壓和系統(tǒng)(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。
MOSFET輸出特性
對于某一個值的VGS1，在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為ID1，器件不可能流過大于ID1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。功率MOSFET工作在線性區(qū)(qū)時，最大的電流受到VGS的限制，也就是最大的電流IDM和最大的VGS要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制：
其中，gfsFS為跨導(dǎo)。
轉(zhuǎn)移工作特性
器件工作在線性區(qū)(qū)，功耗為電流和壓降乘積，因此產(chǎn)(chǎn)生較大功耗，此電流該參數(shù)(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的能力，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)(xù)的直流電流。IDM工作在連續(xù)(xù)的狀態(tài)(tài)下，長時間工作在大功率之下，功率MOSFET的結(jié)溫可能會超出范圍，將導(dǎo)致器件失效。在脈沖的狀態(tài)(tài)下，瞬態(tài)(tài)的熱阻小于穩(wěn)(wěn)態(tài)(tài)熱阻，可以滿足電流范圍更大。
這也表明，數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中功率MOSFET的脈沖漏極電流額定值IDM對應(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)(qū)，即放大區(qū)(qū)恒流狀態(tài)(tài)時，器件能夠通過的最大漏極電流，同樣，最大VGS的和IDM也要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。
溫度升高依賴于脈沖寬度、脈沖間的時間間隔、散熱狀況、以及脈沖電流波形和幅度。單純滿足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結(jié)溫不超過最大允許值，要參考熱性能和瞬時熱阻，來估計脈沖電流下結(jié)溫，也就是最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結(jié)溫的限制，因此IDM要滿足二個條件：
(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；數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中，VGS=10V，260us電流脈沖時，真正的單脈沖的電流測量值。
(2)在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)(tài)的熱阻和最大結(jié)溫的計算值。數(shù)(shù)據(jù)(jù)表中，脈沖寬度取260us。
雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)(shù)據(jù)(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)(shù)據(jù)(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，因此它是一個可以保證的參數(shù)(shù)。一些功率MOSFET供應(yīng)商會對這個參數(shù)(shù)在生產(chǎn)(chǎn)線上做100%全部檢測，因為有降額，因此不會損壞器件。
注意：測量雪崩能量時，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關(guān)狀態(tài)(tài)下，因此功率MOSFET不是工作在放大區(qū)(qū)，而是工作在可變電阻區(qū)(qū)和截止區(qū)(qū)。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續(xù)(xù)的漏極電流值ID。
采用的電感值越大，雪崩電流值越小，但雪崩能量越大，生產(chǎn)(chǎn)線上需要測試時間越長，生產(chǎn)(chǎn)率越低。電感值太小，雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH，此時，雪崩電流相對于最大的連續(xù)(xù)的漏極電流值ID有明顯的改變，而且測試時間比較合適范圍。
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