MOSFET-MOSFET應用參數圖文詳解-MOSFET應用優(yōu)勢-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-08-07
金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(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字電路的場(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)稱(chēng)上包括NMOS、PMOS等。
MOSFET應用參數理論著(zhù)重分析，下文會(huì )從各個(gè)方面來(lái)解析MOSFET的應用參數。MOSFET是開(kāi)關(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)的設計中，對于MOSFET元器件本身的理解尤其重要，理解透徹了，也就應用自如了。
MOSFET的功率損耗主要受限于MOSFET的結溫，基本原則就是任何情況下，結溫不能超過(guò)規格書(shū)里定義的最高溫度。而結溫是由環(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表面結溫（Case temp.）的曲線(xiàn)圖。
一般MOSFET的規格書(shū)里面會(huì )定義兩個(gè)功率損耗參數，一個(gè)是歸算到芯片表面的功率損耗，另一個(gè)是歸算到環(huán)境溫度的功率損耗。這兩個(gè)參數可以通過(guò)如下兩個(gè)公式獲得，重點(diǎn)強調一點(diǎn)，與功耗溫度曲線(xiàn)密切相關(guān)的重要參數熱阻，是材料和尺寸或者表面積的函數。隨著(zhù)結溫的升高，允許的功耗會(huì )隨之降低。
根據最大結溫和熱阻，可以推算出MOSFET可以允許的最大功耗。
歸算到環(huán)境溫度的熱阻是布板，散熱片和散熱面積的函數，如果散熱條件良好，可以極大提升MOSFET的功耗水平。
規格書(shū)中會(huì )定義最大持續漏極電流和最大脈沖電流，如下圖。一般規格書(shū)中最大脈沖電流會(huì )定義在最大持續電流的4倍，并且隨著(zhù)脈沖寬度的增加，最大脈沖電流會(huì )隨之減少，主要原因就是MOSFET的溫度特性。
理想情況下，理論上最大持續電流只依賴(lài)于最大功耗，此時(shí)最大持續電流可以通過(guò)功率公式（P=I^2 R）推算出。如下式：
然而實(shí)際中，其他條件會(huì )限制理論上計算出來(lái)的最大持續電流，比如銅線(xiàn)直徑，芯片工藝與組裝水平等。比如上式中計算的最大持續電流為169A，但是考慮到其他約束條件，實(shí)際只能達到100A。所以制造商的工藝水平某種程度上決定了設計余量，知名廠(chǎng)商往往強項就在于此。下圖就是實(shí)際的持續電流與結溫的關(guān)系曲線(xiàn)圖，脈沖電流是由安全工作區決定的。
安全工作區可以說(shuō)是MOSFET最重要的數據，也是設計者最重要的設計參考。下圖是典型的安全工作區圖形。
由上圖可知，MOSFET的SOA實(shí)際上有5條限制線(xiàn)，這5條限制線(xiàn)決定了SOA的區域。細節如下圖：
（1）Rdson限制線(xiàn)
Rdson限制線(xiàn)是Vds和Ids的函數，這天直線(xiàn)的斜率就是MOSFET的最大Rdson（Vgs=10V, Tj=150℃），因此Rdson限制線(xiàn)可以由下式給出：
由上式可知：
因為隨著(zhù) Vgs降低Rdson會(huì )增加，因此對于較低的Vgs,Rdson限制線(xiàn)會(huì )向下移動(dòng)。
因為Rdson會(huì )隨著(zhù)Tj的降低而增大，因此對于Tj小于150C的情況，Rdson會(huì )向上移動(dòng)。
（2）封裝限制線(xiàn)
當順著(zhù)Rdson向著(zhù)更大電壓和電流的方向移動(dòng)就會(huì )到達封裝限制線(xiàn)。不同封裝的MOSFET和工藝水平?jīng)Q定了這條線(xiàn)的水平。封裝限制線(xiàn)并不隨著(zhù)溫度變化而變化。
（3）最大功率限制線(xiàn)
封裝限制線(xiàn)之后就是最大功率限制線(xiàn)，這條線(xiàn)的規則就是MOSFET功耗產(chǎn)生的溫升加上25C不能超過(guò)MOSFET的最大結溫，比如150C。MOSFET的散熱條件對這條限制線(xiàn)影響很大，因此與溫度相關(guān)的變量，比如熱阻，Tc和功耗也就限制了應用。
可以得出：
Ids受限于最大結溫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(cháng)度與占空比決定的。
（4）溫度穩定（不穩定）限制線(xiàn)
跟隨者最大功率限制線(xiàn)就是溫度不穩定限制線(xiàn)，這條限制線(xiàn)是設計者比較容易忽視的限制線(xiàn)。要深入理解此條限制線(xiàn)，需要理解MOSFET溫度不穩定的條件是什么。MOSFET溫度達不到穩定狀態(tài)，意味著(zhù)隨著(zhù)溫度的變化，MOSFET產(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的溫度達不到穩定狀態(tài)，進(jìn)一步分析公式：
通常情況下，Vds可以認為隨著(zhù)溫度變化基本不變，Ids/T稱(chēng)為溫度系數。由于Vds>0, 1/ZthJC(tpulse)>0, 因此如果發(fā)生不穩定，也就是上式要成立，有且只有溫度系數?Ids/?T>0才有可能發(fā)生。但是怎么從MOSFET的規格書(shū)中得到這一信息那？大多數規格書(shū)中并不會(huì )直接給出這個(gè)溫度系數的。但是可以從其他曲線(xiàn)中推導出來(lái)。比如規格書(shū)中Ids over Vgs的曲線(xiàn)（不同溫度下）。
舉例說(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(xiàn)。由圖中可以看出，Vgs=2.5V下，Ids隨著(zhù)溫度的增加而增加，也就意味著(zhù)Vgs=2.5V下，溫度系數為正。在Vgs=3.5V下，Ids隨著(zhù)溫度的增加而減小，也就意味著(zhù)Vgs=3.5V下，溫度系數為負。25C曲線(xiàn)和150C曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)被稱(chēng)為零溫度系數點(diǎn)（ZTC），很顯然，只要Vgs小于ZTC交叉點(diǎn)，就會(huì )發(fā)生溫度的不穩定。
溫度系數由正溫度系數變?yōu)樨摐囟认禂道碚撋鲜莾蓚€(gè)參數互相競爭的結果。一方面Rdson隨著(zhù)溫度的升高而變大，另一方面Vth隨著(zhù)溫度的升高而減小，在溫度較高的時(shí)候，Rdson起主導，因此溫度升高，電流減小。溫度較低的時(shí)候，Vth起主導。溫度升高，電流升高。
溫度的不穩定區域發(fā)生在Vgs小于ZTC對應的臨界點(diǎn)，ZTC是MOSFET跨導的函數，MOSFET的跨導越大，ZTC對應的Vgs也越高。而現在的MOSFET的工藝，尤其是CoolMos或者DTMOS，跨導會(huì )越來(lái)越大，因此對于Vgs的設計也至關(guān)重要。
（5）擊穿電壓限制線(xiàn)
SOA的右半面就是擊穿電壓限制線(xiàn)，也就是BVDSS。BVDSS是Tj的函數，這一點(diǎn)要格外注意，尤其在低溫應用的時(shí)候，BVDSS會(huì )衰減，確保低溫下，電壓應力滿(mǎn)足要求。
熱阻抗由兩部分構成，一部分是熱態(tài)電阻Rth，另一部分是熱態(tài)電容Cth。
RthJC是從芯片的結到達表面的熱阻，這個(gè)路徑?jīng)Q定了芯片本身的溫度（功耗、熱阻、Tc）。
ZthJC同時(shí)也考慮了Cth無(wú)功功率帶來(lái)的溫度影響。這個(gè)參數通常用來(lái)計算由瞬態(tài)功耗帶來(lái)的溫度累加。
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)系。
對于MOSFET工作于開(kāi)關(guān)的應用，應該使得MOSFET工作在“ohmic”區域，劃分ohmic區域與飽和區域的臨界線(xiàn)是由Vds=Vgs-Vgs(th)決定的。
Rds(on)是漏極電流Id的函數，由MOSFET的典型應用曲線(xiàn)以及歐姆定律可以得到：
從曲線(xiàn)可以看出，Vgs對于Rds(on)起著(zhù)至關(guān)重要的作用，對于MOSFET，一定要使得MOSFET徹底開(kāi)通，不能設計在欠驅動(dòng)狀態(tài)。一般而言，對于功率型MOSFET，10V的驅動(dòng)電壓是比較推薦的。
另外Rds(on)也是Tj的函數，一般可用如下公式進(jìn)行計算：
a是依賴(lài)于溝道技術(shù)參數，工藝和使用技術(shù)定下來(lái)，a是常量。比如英飛凌的OptiMOS功率MOSFET, a可以取值0.4。
跨導反映了漏極電流Id對于Vgs變異的敏感程度。
對于應用MOSFET做自激諧振的線(xiàn)路里面，跨導參數的大小起著(zhù)重要的作用。
門(mén)檻電壓Vth定義在出現指定的漏極電流下的驅動(dòng)電壓。MOSFET的量產(chǎn)線(xiàn)上，Vth是在25C溫度下，Vds=Vgs，漏極電流是uA級別下測量的。
門(mén)檻電壓會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而減小，如下圖所示：
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量到，它們是通過(guò)測量輸入、輸出和反向傳輸電容等參數然后計算得到。這三類(lèi)寄生電容之間的關(guān)系如下：
這三類(lèi)電容是漏源電壓（Vds）的函數，它們會(huì )隨著(zhù)Vds的變化而變化，主要原因在于當Vds變化時(shí)，溝道的空間大小會(huì )隨著(zhù)改變，因此寄生電容也就隨之改變。
MOSFET都有一個(gè)寄生的反向二極管，這個(gè)二極管的相關(guān)參數會(huì )有MOSFET的規格書(shū)給出，如下：
1、二極管正向持續電流：最大允許的正向持續電流，定義在25C，通常這個(gè)電流等于MOSFET的最大持續電流。
2、二極管脈沖電流：最大允許的最大脈沖電流，通常這個(gè)電流等于MOSFET的最大脈沖電流。
3、二極管正向壓降：二極管導通時(shí)，在規定的IF下測到的MOSFET源漏極間壓降。
4、反向恢復時(shí)間：反向恢復電荷完全移除所需要的時(shí)間。
5、反向恢復電荷：二極管導通期間存儲在二極管中的電荷。二極管完全恢復到阻斷狀態(tài)之前需要移除這些存儲的電荷。開(kāi)關(guān)是電流變化的速率越大（di/dt），存儲的反向恢復電荷就越多。
其中反向恢復時(shí)間trr是設計LCC，LLC諧振線(xiàn)路拓撲中需要重點(diǎn)看的參數之一，原因在于基本所有的LCC和LLC諧振線(xiàn)路，在啟動(dòng)過(guò)程中，前幾個(gè)周期都會(huì )存在二極管反向恢復過(guò)程中另一個(gè)MOSFET已經(jīng)開(kāi)通，這個(gè)時(shí)候就會(huì )通過(guò)很大的di/dt，如果寄生的反向二極管能力不夠，MOSFET就會(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，如下：
脈沖avalanche電流大小Iav與脈沖avalanche時(shí)間tav的關(guān)系如下圖：
Avalanche 電流于avalache 時(shí)間是由MOSFET的最大結溫以及avalanche能量限定的。Avalanche 的脈沖寬度長(cháng)，允許的avalanche 的電流就越小。
源漏擊穿電壓是Tj的函數，這個(gè)特性往往被設計者忽略，尤其產(chǎn)品設計是寬溫的應用情況，需要考慮MOSFET低溫下?lián)舸╇妷旱膁erating。
以下是典型的門(mén)極驅動(dòng)波形：
下表列示了典型的MOSFET規格書(shū)中定義的開(kāi)關(guān)時(shí)間：
具體開(kāi)關(guān)時(shí)間的定義如下圖：
1、場(chǎng)效應晶體管是電壓控制元件，而雙極結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，應選用場(chǎng)效應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用雙極晶體管。
2、有些場(chǎng)效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比雙極晶體管好。
3、場(chǎng)效應管是利用多數載流子導電，所以稱(chēng)之為單極型器件，而雙極結型晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。因此被稱(chēng)之為雙極型器件。
4、場(chǎng)效應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)效應管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應管在大規模集成電路中得到了廣泛的應用。
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