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深入理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表
摘要: 在汽車電子的驅(qū)動負載的各種應用中,最常見的半導體元件就是功率MOSFET了,。本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的常用主要參數(shù),以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計,。
Abstract:
Key words :

  在汽車電子的驅(qū)動負載的各種應用中,最常見的半導體元件就是功率MOSFET了,。本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的常用主要參數(shù),以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計,。

  數(shù)據(jù)表中的參數(shù)分為兩類:即最大額定值和電氣特性值,。對于前者,在任何情況下都不能超過,否則器件將永久損害;對于后者,一般以最小值,、最大值,、和典型值的形式給出,它們的值與測試方法和應用條件密切相關,。在實際應用中,,若超出電氣特性值,器件本身并不一定損壞,,但如果設計裕度不足,,可能導致電路工作失常。

  在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表給出的參數(shù)中, 通常最為關心的基本參數(shù)為公式,、公式,、Qgs、和Vgs,。更為高級一些的參數(shù),如ID,、Rthjc、SOA,、Transfer Curve,、EAS等,將在本文的下篇中再做介紹,。

  為了使每個參數(shù)的說明更具備直觀性和易于理解,,選用了英飛凌公司的功率MOSFET,型號為IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T),。本文中所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的,。下面就對這些參數(shù)做逐一的介紹。

   公式: 通態(tài)電阻,。公式是和溫度和Vgs相關的參數(shù),,是MOSFET重要的參數(shù)之一。在數(shù)據(jù)表中,,給出了在室溫下的典型值和最大值,,并給出了得到這個值的測試條件,詳見下表,。

測試條件

  除了表格以外,,數(shù)據(jù)表中還給出了通態(tài)電阻隨著結(jié)溫變化的數(shù)據(jù)圖。從圖中可以看出,,結(jié)溫越高,,通態(tài)電阻越高。正是由于這個特性,,當單個功率MOSFET的電流容量不夠時,,可以采用多個同類型的功率MOSFET并聯(lián)來進行擴流。

  如果需要計算在指定溫度下的公式,可以采用以下的計算公式,。

公式

  上式中 為與工藝技術有關的常數(shù),,對于英飛凌的此類功率MOSFET,可以采用0.4作為常數(shù)值,。如果需要快速的估算,,可以粗略認為:在最高結(jié)溫下的 通態(tài)電阻是室溫下通態(tài)電阻的2倍。下表的曲線給出了公式隨環(huán)境溫度變化的關系,。

隨環(huán)境溫度變化的關系

  公式:定義了MOSFET的源級和漏級的最大能購承受的直流電壓,。在數(shù)據(jù)表中,此參數(shù)都會在數(shù)據(jù)表的首頁給出。注意給出的公式值是在室溫下的值,。

在室溫下的值

  此外,,數(shù)據(jù)表中還會給出在全溫范圍內(nèi)(-55 C…+175 C)  公式隨著溫度變化的曲線。

隨著溫度變化的曲線

  從上表中可以看出,,公式是隨著溫度變化的,,所以在設計中要注意在極限溫度下的 公式仍然能夠滿足系統(tǒng)電源對 公式的要求。

  Qgs:數(shù)據(jù)表中給出了為了使功率MOSFET導通時在給定了的Vds電壓下,,當Qgs變化時的柵級電荷變化的曲線,。從圖表中可以看出,,為了使MOSFET完全導通,,Qgs的典型值約等于10V,由于器件完全導通,,可以減少器件的靜態(tài)損耗,。

當Qgs變化時的柵級電荷變化的曲線

門極電壓特性

  Vgs:描述了在指定了漏級電流下需要的柵源電壓。數(shù)據(jù)表中給出的是在室溫下,,當Vds= Vgs時,,漏極電流在微安等級時的Vgs電壓。數(shù)據(jù)表中給出了最小值,、典型值和最大值,。

最小值

  需要注意的是,在同樣的漏極電流下,,Vgs電壓會隨著結(jié)溫的升高而減小,。在高結(jié)溫的情況下,漏極電流已經(jīng)接近達到了Idss (漏極電流),。為此,,數(shù)據(jù)表中還會給出一條比常溫下指定電流大10倍的漏極電流曲線作為設計參考。如下圖所示,。

漏極電流曲線

  以上介紹了在功率MOSFET數(shù)據(jù)表中最為設計者關心的基本參數(shù)公式,、公式、Qgs、和Vgs,。

  為了更深入的理解功率MOSFET的其它一些參數(shù),,本文仍然選用英飛凌公司的功率MOSFET為例,型號為IPD90N06S4-04(http://www.infineon.com/optimos-T),。為了使每個參數(shù)的說明更具備直觀性和易于理解,,所有的表格和圖表也是從IPD90N06S4-04中摘錄出來的。下面就對這些參數(shù)做逐一的介紹,。

  如果需要更好的理解功率MOSFET,,則需要了解更多的一些參數(shù),這些參數(shù)對于設計都是十分必要和有用的,。這些參數(shù)是ID,、Rthjc、SOA,、Transfer Curve,、和EAS

  ID:定義了在室溫下漏級可以長期工作的電流,。需要注意的是,,這個ID電流的是在Vgs在給定電壓下,TC=25℃下的ID電流值,。

  ID的大小可以由以下的公式計算:

公式

公式

  以IPD90N06S4-04為例,,計算出的結(jié)果等于169A。為何在數(shù)據(jù)表上只標注90A呢,?這是因為最大的電流受限于封裝腳位與焊線直徑,,在數(shù)據(jù)表的注釋1)中可以看到詳細的解釋。如下表所示:

數(shù)據(jù)表的注釋

  此外,,數(shù)據(jù)表中還給出了ID和結(jié)溫之間的曲線關系,。從下表中可以看出,當環(huán)境溫度升高時,  ID會隨著溫度而變化,。在最差的情況下,需要考慮在最大環(huán)境溫度下的ID的電流仍然滿足電路設計的正常電流的要求,。

ID和結(jié)溫之間的曲線關系

  Rthjc:溫阻是對設計者需要非常

關注的設計參數(shù),特別是當需要計算功率MOSFET在單脈沖和不同占空比時的功率損耗時,,就需要查看這個數(shù)據(jù)表來進行設計估算,。筆者將在如何用數(shù)據(jù)表來進行設計估算中來具體解釋。

 

最大熱阻溫阻

  SOA:功率MOSFET的過載能力較低,,為了保證器件安全工作,,具有較高的穩(wěn)定性和較長的壽命,對器件承受的電流,、電壓,、和功率有一定的限制,。把這種限制用Uds-Id坐標平面表示,便構成功率MOSFET的安全工作區(qū) (Safe Operating Area,,縮稱SOA),。同一種器件,其SOA的大小與偏置電壓,、冷卻條件,、和開關方式等都有關系。如果要細分SOA,,還有二種分法,。按柵極偏置分為正偏置SOA和反偏置SOA;按信號占空比來分為直流SOA,、單脈沖SOA,、和重復脈沖SOA。

  功率MOSFET在開通過程及穩(wěn)定導通時必須保持柵極的正確偏置,,正偏置SOA是器件處于通態(tài)下容許的工作范圍,;相反,當關斷器件時,,為了提高關斷速度和可靠性,,需要使柵極處于反偏置,所以反偏置SOA是器件關斷時容許的工作范圍,。

  直流SOA相當于占空比->1是的工作條件,;單脈沖SOA則對應于占空比-> 0時的工作條件;重復脈沖SOA對應于占空比在0 < D < 1時的工作條件,。從數(shù)據(jù)表上可以看出:單脈沖SOA最大,,重復脈沖SOA次之,,直流SOA最窄,。

安全操作區(qū)域

  Transfer Curve:是用圖表的方式表達出ID和Vgs的函數(shù)關系。廠商會給出在不同環(huán)境溫度下的三條曲線,。通常這三條曲線都會相交與一點,,這個點叫做溫度穩(wěn)定點。

  如果加在MOSFET的Vgs低于溫度穩(wěn)定點(在IPD90N06S4-04中是Vgs<6.2V),,此時的MOSFET是正溫度系數(shù)的,,就是說,ID的電流是隨著結(jié)溫同時增加的,。在設計中,,當應用在大電流的設計中時,應避免使功率MOSFET工作在在正溫度系數(shù)區(qū)域,。

  當Vgs超過溫度穩(wěn)定點(在IPD90N06S4-04中是Vgs>6.2V), MOSFET是正溫度系數(shù)的, 就是說,,ID的電流是隨著結(jié)溫的增加是減少的,。這在實際應用中是一個非常好的特性,特別是是在大電流的設計應用中時,,這個特性會幫助功率MOSFET通過減少ID電流來減少結(jié)溫的增加,。

典型傳遞函數(shù)

  EAS: 為了了解在雪崩電流情況下功率MOSFET的工作情況,數(shù)據(jù)表中給出了雪崩電流和時間對應的曲線,,這個曲線上可以讀出在相應的雪崩電流下,,功率MOSFET在不損壞的情況下能夠承受的時間。對于同樣的雪崩能量,,如果雪崩電流減少,,能夠承受的時間會變長,反之亦然,。環(huán)境溫度對于雪崩電流的等級也有影響,,當環(huán)境溫度升高時,由于收到最大結(jié)溫的限制,,能夠承受的雪崩電流會減少,。

雪崩特性

  數(shù)據(jù)表中給出了功率MOSFET能夠承受的雪崩能量的值。在次例子中,,室溫下的EAS=331mJ

功率MOSFET能夠承受的雪崩能量的值

  上表給出的只是在室溫下的EAS,,在設計中還需要用到在不同環(huán)境溫度下的EAS,廠商在數(shù)據(jù)表中也會給出,,如下圖所示,。

雪崩能量

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