MOSFET-MOSFET應(yīng)(yīng)用參數(shù)(shù)圖文詳解-MOSFET應(yīng)(yīng)用優(yōu)(yōu)勢(shì)(shì)

MOSFET概述

金屬-氧化物半導(dǎo)(dǎo)體場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管，簡(jiǎn)(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)(chǎng)效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)(shù)字電路的場(chǎng)(chǎng)效晶體管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類(lèi)型，通常又稱(chēng)為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)(jiǎn)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。

MOSFET應(yīng)(yīng)用參數(shù)(shù)理論分析

MOSFET應(yīng)(yīng)用參數(shù)(shù)理論著重分析，下文會(huì)(huì)從各個(gè)(gè)方面來(lái)(lái)解析MOSFET的應(yīng)(yīng)用參數(shù)(shù)。MOSFET是開(kāi)關(guān)(guān)電源中的重要元器件，也是比較難掌握的元器件之一，尤其在LLC，LCC軟開(kāi)關(guān)(guān)的設(shè)(shè)計(jì)(jì)中，對(duì)(duì)于MOSFET元器件本身的理解尤其重要，理解透徹了，也就應(yīng)(yīng)用自如了。

（一）功率損耗

MOSFET的功率損耗主要受限于MOSFET的結(jié)(jié)溫，基本原則就是任何情況下，結(jié)(jié)溫不能超過(guò)(guò)規(guī)(guī)格書(shū)里定義的最高溫度。而結(jié)(jié)溫是由環(huán)(huán)境溫度和MOSFET自身的功耗決定的。下圖是典型的功率損耗與MOSFET表面結(jié)(jié)溫（Case temp.）的曲線圖。

一般MOSFET的規(guī)(guī)格書(shū)里面會(huì)(huì)定義兩個(gè)(gè)功率損耗參數(shù)(shù)，一個(gè)(gè)是歸算到芯片表面的功率損耗，另一個(gè)(gè)是歸算到環(huán)(huán)境溫度的功率損耗。這兩個(gè)(gè)參數(shù)(shù)可以通過(guò)(guò)如下兩個(gè)(gè)公式獲得，重點(diǎn)(diǎn)強(qiáng)(qiáng)調(diào)(diào)一點(diǎn)(diǎn)，與功耗溫度曲線密切相關(guān)(guān)的重要參數(shù)(shù)熱阻，是材料和尺寸或者表面積的函數(shù)(shù)。隨著結(jié)(jié)溫的升高，允許的功耗會(huì)(huì)隨之降低。

根據(jù)(jù)最大結(jié)(jié)溫和熱阻，可以推算出MOSFET可以允許的最大功耗。

歸算到環(huán)(huán)境溫度的熱阻是布板，散熱片和散熱面積的函數(shù)(shù)，如果散熱條件良好，可以極大提升MOSFET的功耗水平。

（二）漏極（溝道）電流

規(guī)(guī)格書(shū)中會(huì)(huì)定義最大持續(xù)(xù)漏極電流和最大脈沖電流，如下圖。一般規(guī)(guī)格書(shū)中最大脈沖電流會(huì)(huì)定義在最大持續(xù)(xù)電流的4倍，并且隨著脈沖寬度的增加，最大脈沖電流會(huì)(huì)隨之減少，主要原因就是MOSFET的溫度特性。

理想情況下，理論上最大持續(xù)(xù)電流只依賴(lài)于最大功耗，此時(shí)(shí)最大持續(xù)(xù)電流可以通過(guò)(guò)功率公式（P=I^2 R）推算出。如下式：

然而實(shí)(shí)際中，其他條件會(huì)(huì)限制理論上計(jì)(jì)算出來(lái)(lái)的最大持續(xù)(xù)電流，比如銅線直徑，芯片工藝與組裝水平等。比如上式中計(jì)(jì)算的最大持續(xù)(xù)電流為169A，但是考慮到其他約束條件，實(shí)(shí)際只能達(dá)(dá)到100A。所以制造商的工藝水平某種程度上決定了設(shè)(shè)計(jì)(jì)余量，知名廠商往往強(qiáng)(qiáng)項(xiàng)(xiàng)就在于此。下圖就是實(shí)(shí)際的持續(xù)(xù)電流與結(jié)(jié)溫的關(guān)(guān)系曲線圖，脈沖電流是由安全工作區(qū)(qū)決定的。

（三）安全工作區(qū)(qū)

安全工作區(qū)(qū)可以說(shuō)(shuō)是MOSFET最重要的數(shù)(shù)據(jù)(jù)，也是設(shè)(shè)計(jì)(jì)者最重要的設(shè)(shè)計(jì)(jì)參考。下圖是典型的安全工作區(qū)(qū)圖形。

由上圖可知，MOSFET的SOA實(shí)(shí)際上有5條限制線，這5條限制線決定了SOA的區(qū)(qū)域。細(xì)(xì)節(jié)(jié)如下圖：

（1）Rdson限制線

Rdson限制線是Vds和Ids的函數(shù)(shù)，這天直線的斜率就是MOSFET的最大Rdson（Vgs=10V, Tj=150℃），因此Rdson限制線可以由下式給出：

由上式可知：

因?yàn)殯S著 Vgs降低Rdson會(huì)(huì)增加，因此對(duì)(duì)于較低的Vgs,Rdson限制線會(huì)(huì)向下移動(dòng)(dòng)。

因?yàn)镽dson會(huì)(huì)隨著Tj的降低而增大，因此對(duì)(duì)于Tj小于150C的情況，Rdson會(huì)(huì)向上移動(dòng)(dòng)。

（2）封裝限制線

當(dāng)(dāng)順著Rdson向著更大電壓和電流的方向移動(dòng)(dòng)就會(huì)(huì)到達(dá)(dá)封裝限制線。不同封裝的MOSFET和工藝水平?jīng)Q定了這條線的水平。封裝限制線并不隨著溫度變化而變化。

（3）最大功率限制線

封裝限制線之后就是最大功率限制線，這條線的規(guī)(guī)則就是MOSFET功耗產(chǎn)(chǎn)生的溫升加上25C不能超過(guò)(guò)MOSFET的最大結(jié)(jié)溫，比如150C。MOSFET的散熱條件對(duì)(duì)這條限制線影響很大，因此與溫度相關(guān)(guān)的變量，比如熱阻，Tc和功耗也就限制了應(yīng)(yīng)用。

可以得出：

Ids受限于最大結(jié)(jié)溫Tj，最大允許溫升是由Tj和Tc之差決定的。

Ids受限于熱阻ZthJC的影響，脈沖情況下的ZthJC是由脈沖長(zhǎng)(zhǎng)度與占空比決定的。

（4）溫度穩(wěn)(wěn)定（不穩(wěn)(wěn)定）限制線

跟隨者最大功率限制線就是溫度不穩(wěn)(wěn)定限制線，這條限制線是設(shè)(shè)計(jì)(jì)者比較容易忽視的限制線。要深入理解此條限制線，需要理解MOSFET溫度不穩(wěn)(wěn)定的條件是什么。MOSFET溫度達(dá)(dá)不到穩(wěn)(wěn)定狀態(tài)(tài)，意味著隨著溫度的變化，MOSFET產(chǎn)(chǎn)生的功耗快于MOSFET耗散的功耗。也就是如下公式：

在這樣的條件下，MOSFET的溫度達(dá)(dá)不到穩(wěn)(wěn)定狀態(tài)(tài)，進(jìn)(jìn)一步分析公式：

通常情況下，Vds可以認(rèn)(rèn)為隨著溫度變化基本不變，Ids/T稱(chēng)為溫度系數(shù)(shù)。由于Vds>0, 1/ZthJC(tpulse)>0, 因此如果發(fā)(fā)生不穩(wěn)(wěn)定，也就是上式要成立，有且只有溫度系數(shù)(shù)?Ids/?T>0才有可能發(fā)(fā)生。但是怎么從MOSFET的規(guī)(guī)格書(shū)中得到這一信息那？大多數(shù)(shù)規(guī)(guī)格書(shū)中并不會(huì)(huì)直接給出這個(gè)(gè)溫度系數(shù)(shù)的。但是可以從其他曲線中推導(dǎo)(dǎo)出來(lái)(lái)。比如規(guī)(guī)格書(shū)中Ids over Vgs的曲線（不同溫度下）。

舉例說(shuō)(shuō)明，如下圖所示，分別畫(huà)出了在25C Tj和150C Tj情況下的曲線。由圖中可以看出，Vgs=2.5V下，Ids隨著溫度的增加而增加，也就意味著Vgs=2.5V下，溫度系數(shù)(shù)為正。在Vgs=3.5V下，Ids隨著溫度的增加而減小，也就意味著Vgs=3.5V下，溫度系數(shù)(shù)為負(fù)(fù)。25C曲線和150C曲線的交叉點(diǎn)(diǎn)被稱(chēng)為零溫度系數(shù)(shù)點(diǎn)(diǎn)（ZTC），很顯然，只要Vgs小于ZTC交叉點(diǎn)(diǎn)，就會(huì)(huì)發(fā)(fā)生溫度的不穩(wěn)(wěn)定。

溫度系數(shù)(shù)由正溫度系數(shù)(shù)變?yōu)樨?fù)溫度系數(shù)(shù)理論上是兩個(gè)(gè)參數(shù)(shù)互相競(jìng)(jìng)爭(zhēng)(zhēng)的結(jié)(jié)果。一方面Rdson隨著溫度的升高而變大，另一方面Vth隨著溫度的升高而減小，在溫度較高的時(shí)(shí)候，Rdson起主導(dǎo)(dǎo)，因此溫度升高，電流減小。溫度較低的時(shí)(shí)候，Vth起主導(dǎo)(dǎo)。溫度升高，電流升高。

溫度的不穩(wěn)(wěn)定區(qū)(qū)域發(fā)(fā)生在Vgs小于ZTC對(duì)(duì)應(yīng)(yīng)的臨界點(diǎn)(diǎn)，ZTC是MOSFET跨導(dǎo)(dǎo)的函數(shù)(shù)，MOSFET的跨導(dǎo)(dǎo)越大，ZTC對(duì)(duì)應(yīng)(yīng)的Vgs也越高。而現(xiàn)(xiàn)在的MOSFET的工藝，尤其是CoolMos或者DTMOS，跨導(dǎo)(dǎo)會(huì)(huì)越來(lái)(lái)越大，因此對(duì)(duì)于Vgs的設(shè)(shè)計(jì)(jì)也至關(guān)(guān)重要。

（5）擊穿電壓限制線

SOA的右半面就是擊穿電壓限制線，也就是BVDSS。BVDSS是Tj的函數(shù)(shù)，這一點(diǎn)(diǎn)要格外注意，尤其在低溫應(yīng)(yīng)用的時(shí)(shí)候，BVDSS會(huì)(huì)衰減，確保低溫下，電壓應(yīng)(yīng)力滿足要求。

（四）最大瞬態(tài)(tài)熱阻抗-ZthJC

熱阻抗由兩部分構(gòu)(gòu)成，一部分是熱態(tài)(tài)電阻Rth，另一部分是熱態(tài)(tài)電容Cth。

RthJC是從芯片的結(jié)(jié)到達(dá)(dá)表面的熱阻，這個(gè)(gè)路徑?jīng)Q定了芯片本身的溫度（功耗、熱阻、Tc）。

ZthJC同時(shí)(shí)也考慮了Cth無(wú)(wú)功功率帶來(lái)(lái)的溫度影響。這個(gè)(gè)參數(shù)(shù)通常用來(lái)(lái)計(jì)(jì)算由瞬態(tài)(tài)功耗帶來(lái)(lái)的溫度累加。

（五）典型輸出特性

MOSFET的典型輸出特性描繪了漏極電流Id在常溫下與Vds和Vgs的關(guān)(guān)系。

對(duì)(duì)于MOSFET工作于開(kāi)關(guān)(guān)的應(yīng)(yīng)用，應(yīng)(yīng)該使得MOSFET工作在“ohmic”區(qū)(qū)域，劃分ohmic區(qū)(qū)域與飽和區(qū)(qū)域的臨界線是由Vds=Vgs-Vgs(th)決定的。

（六）Rds(on)

Rds(on)是漏極電流Id的函數(shù)(shù)，由MOSFET的典型應(yīng)(yīng)用曲線以及歐姆定律可以得到：

從曲線可以看出，Vgs對(duì)(duì)于Rds(on)起著至關(guān)(guān)重要的作用，對(duì)(duì)于MOSFET，一定要使得MOSFET徹底開(kāi)通，不能設(shè)(shè)計(jì)(jì)在欠驅(qū)(qū)動(dòng)(dòng)狀態(tài)(tài)。一般而言，對(duì)(duì)于功率型MOSFET，10V的驅(qū)(qū)動(dòng)(dòng)電壓是比較推薦的。

另外Rds(on)也是Tj的函數(shù)(shù)，一般可用如下公式進(jìn)(jìn)行計(jì)(jì)算：

a是依賴(lài)于溝道技術(shù)(shù)參數(shù)(shù)，工藝和使用技術(shù)(shù)定下來(lái)(lái)，a是常量。比如英飛凌的OptiMOS功率MOSFET, a可以取值0.4。

（七）跨導(dǎo)(dǎo)

跨導(dǎo)(dǎo)反映了漏極電流Id對(duì)(duì)于Vgs變異的敏感程度。

對(duì)(duì)于應(yīng)(yīng)用MOSFET做自激諧振的線路里面，跨導(dǎo)(dǎo)參數(shù)(shù)的大小起著重要的作用。

（八）門(mén)極門(mén)檻電壓Vth

門(mén)檻電壓Vth定義在出現(xiàn)(xiàn)指定的漏極電流下的驅(qū)(qū)動(dòng)(dòng)電壓。MOSFET的量產(chǎn)(chǎn)線上，Vth是在25C溫度下，Vds=Vgs，漏極電流是uA級(jí)(jí)別下測(cè)(cè)量的。

門(mén)檻電壓會(huì)(huì)隨著溫度的升高而減小，如下圖所示：

（九）寄生電容

MOSFET的寄生電容由三類(lèi)，它們分別是門(mén)極源極電容，門(mén)極漏極電容以及漏極源極電容。這些電容不能直接測(cè)(cè)量到，它們是通過(guò)(guò)測(cè)(cè)量輸入、輸出和反向傳輸電容等參數(shù)(shù)然后計(jì)(jì)算得到。這三類(lèi)寄生電容之間的關(guān)(guān)系如下：

這三類(lèi)電容是漏源電壓（Vds）的函數(shù)(shù)，它們會(huì)(huì)隨著Vds的變化而變化，主要原因在于當(dāng)(dāng)Vds變化時(shí)(shí)，溝道的空間大小會(huì)(huì)隨著改變，因此寄生電容也就隨之改變。

（十）反向二極管特性

MOSFET都有一個(gè)(gè)寄生的反向二極管，這個(gè)(gè)二極管的相關(guān)(guān)參數(shù)(shù)會(huì)(huì)有MOSFET的規(guī)(guī)格書(shū)給出，如下：

1、二極管正向持續(xù)(xù)電流：最大允許的正向持續(xù)(xù)電流，定義在25C，通常這個(gè)(gè)電流等于MOSFET的最大持續(xù)(xù)電流。

2、二極管脈沖電流：最大允許的最大脈沖電流，通常這個(gè)(gè)電流等于MOSFET的最大脈沖電流。

3、二極管正向壓降：二極管導(dǎo)(dǎo)通時(shí)(shí)，在規(guī)(guī)定的IF下測(cè)(cè)到的MOSFET源漏極間壓降。

4、反向恢復(fù)(fù)時(shí)(shí)間：反向恢復(fù)(fù)電荷完全移除所需要的時(shí)(shí)間。

5、反向恢復(fù)(fù)電荷：二極管導(dǎo)(dǎo)通期間存儲(chǔ)(chǔ)在二極管中的電荷。二極管完全恢復(fù)(fù)到阻斷狀態(tài)(tài)之前需要移除這些存儲(chǔ)(chǔ)的電荷。開(kāi)關(guān)(guān)是電流變化的速率越大（di/dt），存儲(chǔ)(chǔ)的反向恢復(fù)(fù)電荷就越多。

其中反向恢復(fù)(fù)時(shí)(shí)間trr是設(shè)(shè)計(jì)(jì)LCC，LLC諧振線路拓?fù)渲行枰攸c(diǎn)(diǎn)看的參數(shù)(shù)之一，原因在于基本所有的LCC和LLC諧振線路，在啟動(dòng)(dòng)過(guò)(guò)程中，前幾個(gè)(gè)周期都會(huì)(huì)存在二極管反向恢復(fù)(fù)過(guò)(guò)程中另一個(gè)(gè)MOSFET已經(jīng)(jīng)開(kāi)通，這個(gè)(gè)時(shí)(shí)候就會(huì)(huì)通過(guò)(guò)很大的di/dt，如果寄生的反向二極管能力不夠，MOSFET就會(huì)(huì)擊穿而失效。

另外寄生二極管的正向電流If是源漏電壓Vsd的函數(shù)(shù)，如下：

（十一）Avalanche特性

脈沖avalanche電流大小Iav與脈沖avalanche時(shí)(shí)間tav的關(guān)(guān)系如下圖：

Avalanche 電流于avalache 時(shí)(shí)間是由MOSFET的最大結(jié)(jié)溫以及avalanche能量限定的。Avalanche 的脈沖寬度長(zhǎng)(zhǎng)，允許的avalanche 的電流就越小。

（十二）源漏擊穿電壓

源漏擊穿電壓是Tj的函數(shù)(shù)，這個(gè)(gè)特性往往被設(shè)(shè)計(jì)(jì)者忽略，尤其產(chǎn)(chǎn)品設(shè)(shè)計(jì)(jì)是寬溫的應(yīng)(yīng)用情況，需要考慮MOSFET低溫下?lián)舸╇妷旱膁erating。

（十三）典型的門(mén)極驅(qū)(qū)動(dòng)(dòng)

以下是典型的門(mén)極驅(qū)(qū)動(dòng)(dòng)波形：

（十四）開(kāi)關(guān)(guān)特性

下表列示了典型的MOSFET規(guī)(guī)格書(shū)中定義的開(kāi)關(guān)(guān)時(shí)(shí)間：

具體開(kāi)關(guān)(guān)時(shí)(shí)間的定義如下圖：

MOSFET的應(yīng)(yīng)用優(yōu)(yōu)勢(shì)(shì)

1、場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管是電壓控制元件，而雙極結(jié)(jié)型晶體管是電流控制元件。在只允許從取較少電流的情況下，應(yīng)(yīng)選用場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管；而在信號(hào)(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)(yīng)選用雙極晶體管。

2、有些場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)(fù)，靈活性比雙極晶體管好。

3、場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管是利用多數(shù)(shù)載流子導(dǎo)(dǎo)電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而雙極結(jié)(jié)型晶體管是即有多數(shù)(shù)載流子，也利用少數(shù)(shù)載流子導(dǎo)(dǎo)電。因此被稱(chēng)之為雙極型器件。

4、場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管在大規(guī)(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)(yīng)用。

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