電源管理小技巧：功率 MOSFET 特性

以Vishay SiE848DF的數(shù)據(jù)手冊(cè)圖作為參考示例，這是一款采用 PolarPAK? 封裝的 N 溝道 30 V 溝槽功率 MOSFET。MOSFET 的封裝限制為 60A 和 25°C。

阻斷電壓是多少？

阻斷電壓 BVDSS 是可以施加到 MOSFET 的最大電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，這包括施加的電壓加上任何感性感應(yīng)電壓。對(duì)于感性負(fù)載，MOSFET 兩端的電壓實(shí)際上可以是施加電壓的兩倍。

MOSFET 的雪崩特性是什么？

這決定了 MOSFET 在雪崩條件下可以承受多少能量。如果超過(guò)最大漏源電壓并且電流沖過(guò)器件，則會(huì)發(fā)生雪崩。雪崩值越高，設(shè)備越堅(jiān)固。雪崩條件可能導(dǎo)致兩種可能的故障模式，從而破壞 MOSFET。最具破壞性的是“雙極閉鎖”，如果器件電流在其內(nèi)部器件電阻上引起電壓降，從而導(dǎo)致晶體管動(dòng)作和 MOSFET 寄生雙極結(jié)構(gòu)的閉鎖。第二種故障模式是熱故障模式，如果雪崩條件使器件溫度升高到其最高結(jié)溫以上，就會(huì)發(fā)生這種情況。

Trench 技術(shù)提供接近行業(yè)領(lǐng)先的平面技術(shù)的雪崩能力。為了確保令人滿意的性能，該技術(shù)中的器件可以針對(duì)最高結(jié)溫的單脈沖雪崩能量 （EAS） 進(jìn)行全面表征。EAS 越高，設(shè)備越堅(jiān)固。一些設(shè)備是根據(jù) EAR（重復(fù)雪崩能量）進(jìn)行評(píng)級(jí)的。

溝槽技術(shù)提供了低導(dǎo)通電阻的理想特性，有時(shí)以犧牲高雪崩能量為代價(jià)。與現(xiàn)有的基準(zhǔn)平面技術(shù)相比，溝槽功率 MOSFET 技術(shù)的單位面積器件導(dǎo)通電阻降低了 15%，但通常以更高的電荷為代價(jià)。而且，溝槽技術(shù)允許將導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)降低 10%。

什么是功率 MOSFET 導(dǎo)通電阻 RDS（on）

對(duì)于平面和溝槽 MOSFET，導(dǎo)通電阻都很重要，因?yàn)樗鼪Q定了功率半導(dǎo)體的功率損耗和發(fā)熱。導(dǎo)通電阻越低，器件功率損耗越低，運(yùn)行溫度就越低。這在標(biāo)稱(chēng)工作溫度通常超過(guò) 125°C 的應(yīng)用中尤為重要。 低導(dǎo)通電阻大大降低了許多應(yīng)用中的散熱要求，從而降低了零件數(shù)量和組裝成本。在許多應(yīng)用中，低導(dǎo)通電阻還消除了并聯(lián) MOSFET 以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻的需要，與前幾代 MOSFET 相比，這提高了可靠性并降低了整體系統(tǒng)成本。

RDS（on） 隨著細(xì)胞密度的增加而降低。多年來(lái)，電池密度從 1980 年的每平方英寸五十萬(wàn)個(gè)左右增加到平面 MOSFET 的約 800 萬(wàn)個(gè)，溝槽技術(shù)的電池密度約為 1200 萬(wàn)個(gè)或更高。

功率 MOSFET 的溫度影響是什么？

無(wú)論是平面還是溝槽型，最高結(jié)溫 TJ（max） 都是器件本身電氣特性以及所采用封裝的函數(shù)。封裝熱特性決定了其從芯片中提取熱量的能力。結(jié)到環(huán)境和結(jié)到外殼的熱阻是衡量 MOSFET 提取熱量能力的指標(biāo)。數(shù)據(jù)表以 °C/W 或 K/W 為單位對(duì)熱阻進(jìn)行評(píng)級(jí)。熱阻越低，封裝消除熱量的效率就越高。在某些情況下，可能需要散熱器將器件結(jié)溫保持在其最大額定值以下。圖 6-1 顯示了 VGS = 4.5 V 和 10 V 時(shí) RDS（ON） 隨結(jié)溫的變化。VGS 是柵源電壓。

圖 6-1 Rdson 與 Temp 的關(guān)系

功率 MOSFET 的連續(xù)漏極電流是多少？

連續(xù)漏極電流 ID 確定了 MOSFET 驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載的能力。該值可以由 MOSFET 的封裝限制。當(dāng)在脈沖模式下運(yùn)行時(shí)，MOSFET 的漏極電流可以是其連續(xù)額定值的數(shù)倍。在脈沖模式下，脈沖寬度和占空比決定了安全的漏極電流和器件功耗。

功率 MOSFET 的 SOA 是什么？

MOSFET 的安全工作區(qū) SOA 是施加到器件的電壓和電流的函數(shù)。SOA 表示為電壓和電流的曲線，圖中顯示了“安全”區(qū)域。圖 6-2 是 SiE848DF 的 SOA 圖。

圖 6-2 安全工作區(qū)

功率 MOSFET 的柵極電荷是多少？

MOSFET 柵極端上的電荷由其柵極-源極電容決定。柵極電荷越低，就越容易驅(qū)動(dòng) MOSFET?？倴艠O電荷 QG 會(huì)影響 MOSFET 的最高可靠開(kāi)關(guān)頻率。柵極電荷越低，頻率越高。在較高頻率下工作允許使用較低值、較小尺寸的電容器和電感器，這可能是系統(tǒng)成本的重要因素。低柵極電荷也使其更容易驅(qū)動(dòng) MOSFET，但是，設(shè)計(jì)人員有時(shí)需要在開(kāi)關(guān)頻率與 EMI 考慮之間進(jìn)行權(quán)衡。一些新型溝槽器件比一些現(xiàn)有的平面技術(shù)表現(xiàn)出更低的柵極電荷，方法是用新的較小的晶片器件替換較大的晶片，這些晶片器件已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供溝槽器件的較低電荷版本。圖 6-3 顯示了 SiE848DF 的柵極電荷，以 nC、納庫(kù)侖為單位。

圖 6-3 柵極電荷圖

功率 MOSFET 的閾值電壓是多少？

閾值電壓 Vgs（th） 是在源極和漏極區(qū)域之間形成導(dǎo)電通道所需的最小柵極-源極偏壓。通常在 250μA 的漏源電流下測(cè)量。對(duì)于柵極氧化層較厚的高壓器件，其值為 2-4V，對(duì)于柵極氧化層較薄的低電壓器件，邏輯兼容值為 1-2V，這是常見(jiàn)的。在功率非常昂貴的基于電池的應(yīng)用中，RDS（on） 和 Vgsth 值趨于降低。柵極氧化層的質(zhì)量和完整性成為主要問(wèn)題，因?yàn)闁艠O氧化層厚度減小以實(shí)現(xiàn)較低的 Vgsth，柵極和源極之間需要使 MOSFET 導(dǎo)通的最小電壓。邏輯電平 MOSFET 的典型值約為 2V 至 3V，而其他器件可能具有更高的值。在圖 6-4 中，閾值電壓與結(jié)溫的關(guān)系圖。數(shù)據(jù)表規(guī)定，對(duì)于 250 μA 的漏極電流，典型閾值為 1.8 V，這使 MOSFET 處于邏輯電平范圍內(nèi)。

圖 6-4 Vgs 與結(jié)溫的關(guān)系

如何計(jì)算導(dǎo)通功率 MOSFET 所需的柵極電流？

盡管輸入電容值很有用，但它們并不適合計(jì)算在給定時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)器件所需的柵極電流，并且在比較兩個(gè)器件的開(kāi)關(guān)性能時(shí)也不能提供準(zhǔn)確的結(jié)果。從電路設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一個(gè)更有用的參數(shù)是總柵極電荷。大多數(shù)制造商在其數(shù)據(jù)表中都包含這兩個(gè)參數(shù)。

利用柵極電荷 Qg，設(shè)計(jì)人員可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)電路在所需時(shí)間內(nèi)接通器件所需的電流量，因?yàn)?Qg = 電流×?xí)r間。例如，如果向柵極提供 20mA 的電流，則柵極電荷為 20nC 的器件可以在 20ms 內(nèi)導(dǎo)通，如果柵極電流增加到 1A，則可以在 20nsec 內(nèi)導(dǎo)通。使用輸入電容值，這些簡(jiǎn)單的計(jì)算是不可能的。

功率 MOSFET 的柵極電荷和導(dǎo)通電阻之間有什么關(guān)系？

柵極電荷和導(dǎo)通電阻是相互關(guān)聯(lián)的。也就是說(shuō)，柵極電荷越低，導(dǎo)通電阻就越高，反之亦然。從歷史上看，MOSFET 制造商一直專(zhuān)注于降低 RDS（on），而不太關(guān)注柵極電荷。這種情況在過(guò)去幾年中發(fā)生了變化，新的設(shè)計(jì)和工藝出現(xiàn)了，可提供更低的柵極電荷器件。需要注意的是，RDS（on） 和柵極電荷之間存在權(quán)衡，并且應(yīng)用程序?qū)Q定哪個(gè)參數(shù)更重要。RDS（on） × Qg 的乘積是一個(gè)品質(zhì)因數(shù) （FOM），用于比較高頻應(yīng)用中使用的不同功率 MOSFET

功率 MOSFET 的損耗有哪些？

由于功率 MOSFET 主要用作電源開(kāi)關(guān)，因此預(yù)計(jì)它們具有低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。對(duì)于電源管理應(yīng)用，導(dǎo)通損耗、耐用性和雪崩能力是重要特性。導(dǎo)通損耗由功率 MOSFET 的工作電流和導(dǎo)通電阻 （I2R） 的乘積決定。

功率 MOSFET 的體二極管正向電壓是多少？

體二極管正向電壓 （VSD） 是體漏二極管在指定源電流值下保證的最大正向壓降。VSD 的值很重要，在源極-漏極電壓可能擴(kuò)展到負(fù)范圍的應(yīng)用中必須很低，從而導(dǎo)致體漏二極管正向偏置。如果發(fā)生這種情況，源極-漏極電流會(huì)從漏極直接流向源極觸點(diǎn)，穿過(guò)正向偏置體二極管 p-n 結(jié)。

如果柵源電壓 VGS >Vgsth.在這種同步整流器模式下使用低電壓和低 RDS（on） 功率 MOSFET，則第二條更主要的電流傳導(dǎo)路徑將通過(guò)通道存在，因?yàn)樗鼈兊恼驂航悼梢缘椭?0.1V，而典型的肖特基二極管正向壓降為 0.4-0.5V。高壓設(shè)備 （>100V） 的最大值為 1.6V，低壓設(shè)備 （<100V） 的最大值為 1.2V，對(duì)于 VSD 很常見(jiàn)。SiE848DF 的源極-漏極二極管正向電壓如圖 6-5 所示。

圖 6-5 源極-漏極二極管 Vf

功率 MOSFET 的最大允許功率耗散是多少？

一個(gè)重要的參數(shù)是最大允許功率耗散 PD，當(dāng)外殼溫度保持在 25°C 時(shí)，它會(huì)將 MOSFET 的芯片溫度提高到最大允許結(jié)溫 Tjmax。 最大 Tj 通常為 150°C 或 175°C。

功率 MOSFET 的熱阻是多少？

RθJC 是 MOSFET 的結(jié)到外殼熱阻，典型的表面貼裝封裝的熱阻為 30-50 °C/W，而典型的 TO-220 器件的熱阻為 2°C/W 或更低。數(shù)據(jù)手冊(cè)還可以提供功率 MOSFET 結(jié)到環(huán)境熱阻的 RθJA 值。

功率 MOSFET 的最大 dV/dt 是多少？

允許的源極-漏極電壓的最大上升速率是 MOSFET 的 dV/dt。如果超過(guò)此速率，柵源端子兩端的電壓可能會(huì)高于器件的閾值電壓，從而迫使器件進(jìn)入導(dǎo)流模式，在某些情況下可能會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。

有兩種可能的機(jī)制可以導(dǎo)致 dV/dt 誘導(dǎo)導(dǎo)通。一個(gè)通過(guò)柵極-漏極電容 CGD 的反饋?zhàn)饔米優(yōu)榧せ顮顟B(tài)，與 CGS 一起形成一個(gè)電容分壓器，該分壓器可以產(chǎn)生足以超過(guò) Vth 的脈沖，并在漏極上的快速電壓轉(zhuǎn)換期間打開(kāi)器件。當(dāng)器件的漏極和源極端子上出現(xiàn)電壓斜坡時(shí)。通常驅(qū)動(dòng)器會(huì)吸收流經(jīng)柵極電阻 RG 的電流，以在關(guān)斷狀態(tài)下將柵極箝位為低電平，如果 Rg 太大，有時(shí)可能會(huì)將驅(qū)動(dòng)器與柵極隔離，從而允許器件導(dǎo)通。RG 是電路中的總柵極電阻。

MOSFET 中 dV/dt 導(dǎo)通的第二種機(jī)制是通過(guò)寄生 BJT。與體二極管的耗盡區(qū)相關(guān)的電容，延伸到漂移區(qū)，表示為 CDB，出現(xiàn)在 BJT 的基極和 MOSFET 的漏極之間。當(dāng)漏源端子上出現(xiàn)電壓斜坡時(shí)，該電容會(huì)產(chǎn)生流經(jīng)基極電阻 RB 的電流。

哪些因素會(huì)影響功率 MOSFET 的開(kāi)關(guān)和瞬態(tài)響應(yīng)？

當(dāng) MOSFET 用作開(kāi)關(guān)時(shí)，其基本功能是通過(guò)施加到柵極的電壓信號(hào)來(lái)控制漏極電流。器件的開(kāi)關(guān)性能取決于確定電容兩端的電壓變化和電感電流變化所需的時(shí)間。RG 是柵極的分布電阻，與有源面積大致成反比。RG 的乘積和多晶硅柵極的活性面積通常約為 20 Ω-mm2。圖 6-6 [缺少 - 如果您有雜志或舊數(shù)據(jù)表的副本，請(qǐng)將掃描件發(fā)送給 Andy] 顯示了 MOSFET 輸入中的寄生效應(yīng)。Ls 和 LD 是源極和漏極引線電感，大約為幾十 nH。還有幾個(gè)與功率 MOSFET 相關(guān)的寄生電容。柵極-源極電容 CGS 是由于多晶硅柵極與源極和通道區(qū)域重疊而產(chǎn)生的電容，不是外加電壓的強(qiáng)函數(shù)。

“靜電”（ESD） 如何影響功率 MOSFET？

MOSFET 技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)了另一種殺死半導(dǎo)體的方法：靜電。處理 MOSFET 半導(dǎo)體的人積累的電荷通常足以破壞零件。因此，半導(dǎo)體制造商制定了 3000V 至 5000V 的靜電放電額定值。MOSFET 半導(dǎo)體的處理程序使用接地帶和導(dǎo)電表面來(lái)防止靜電問(wèn)題。