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纣占后
5 years ago
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1 深入理解 MOSFET 规格书 /datasheet 作为一个电源方面的工程师技术人员, 相信大家对 MOSFET 都不会陌生本论坛中, 关于 MOSFET 的帖子也应有尽有 :MOSFET 结构特点 / 工作原理 MOSFET 驱动技术 MOSFET 选型 MOSFET 损耗计算等, 论坛各大版主大侠们都发表过各种牛贴, 我也不敢在这些方面再多说些什么了工程师们要选用某个型号的 MOSFET, 首先要看的就是规格书 /datasheet, 拿到 MOSFET 的规格书 /datasheet 时, 我们要怎么去理解那十几页到几十页的内容呢? 本帖的目的就是为了和大家分享一下我对 MOSFET 规格书 /datasheet 的理解和一些观点, 有什么错误不当的地方请大家指出, 也希望大家分享一下自己的一些看法, 大家一起学习 PS: 1. 后续内容中规格书 /datasheet 统一称为 datasheet 2. 本帖中有关 MOSFET datasheet 的数据截图来自英飞凌 IPP60R190C6 datasheet 1. VDS Datasheet 上电气参数第一个就是 V(BR)DSS, 即 DS 击穿电压, 也就是我们关心的 MOSFET 的耐压. 此处 V(BR)DSS 的最小值是 600V, 是不是表示设计中只要 MOSFET 上电压不超过 600V MOSFET 就能工作在安全状态? 相信很多人的答案是是!, 曾经我也是这么认为的, 但这个正确答案是不是! 这个参数是有条件的, 这个最小值 600V 是在 Tj=25 的值, 也就是只有在 Tj=25 时,MOSFET 上电压不超过 600V 才算是工作在安全状态 MOSFET V(BR)DSS 是正温度系数的, 其实 datasheet 上有一张 V(BR)DSS 与 Tj 的关系图 (datasheet 中 Table 17), 如下 :

2 要是电源用在寒冷的地方, 环境温度低到 -40 甚至更低的话,MOSFET V(BR)DSS 值 <560V, 这时候 600V 就已经超过 MOSFET 耐压了所以在 MOSFET 使用中, 我们都会保留一定的 VDS 的电压裕量, 其中一点就是为了考虑到低温时 MOSFET V(BR)DSS 值变小了, 另外一点是为了应对各种恶例条件下开关机的 VDS 电压尖峰 2. ID 相信大家都知道 MOSFET 最初都是按 xa, xv 的命名方式 ( 比如 20N60~), 慢慢的都转变成 Rds(on) 和电压的命名方式 ( 比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~). 其实从电流到 Rds(on) 这种命名方式的转变就表明 ID 和 Rds(on) 是有着直接联系的, 那么它们之间有什么关系呢? 在说明 ID 和 Rds(on) 的关系之前, 先得跟大家聊聊封装和结温 : 1). 封装 : 影响我们选择 MOSFET 的条件有哪些? a) 功耗跟散热性能 --> 比如 : 体积大的封装相比体积小的封装能够承受更大的损耗 ; 铁封比塑封的散热性能更好. b) 对于高压 MOSFET 还得考虑爬电距离 --> 高压的 MOSFET 就没有 SO-8 封装的, 因为 G/D/S 间的爬电距离不够 c) 对于低压 MOSFET 还得考虑寄生参数 --> 引脚会带来额外的寄生电感电阻, 寄生电感往往会影响到驱动信号, 寄生电阻会影响到 Rds(on) 的值 d) 空间 / 体积 --> 对于一些对体积要求严格的电源, 贴片 MOSFET 就显得有优势了 2). 结温 :MOSFET 的最高结温 Tj_max=150, 超过此温度会损坏 MOSFET, 实际使用中建议不要超过 70%~90% Tj_max. 回到正题,MOSFET ID 和 Rds(on) 的关系 : (1) 封装能够承受的损耗和封装的散热性能 ( 热阻 ) 之间的关系 (2) MOSFET 通过电流 ID 产生的损耗 (1), (2) 联立, 计算得到 ID 和 Rds_on 的关系

3 3. Rds(on) 从 MOSFET Rds(on) 与 Tj 的图表中可以看到 :Tj 增加 Rds(on) 增大, 即 Rds(on) 是正温度系数, MOSFET 的这一特性使得 MOSFET 易于并联使用 4. Vgs(th) 相信这个值大家都熟悉, 但是 Vgs(th) 是负温度系数有多少人知道, 你知道吗?( 下面两图分别来自 BSC010NE2LS 和 IPP075N15N3 G datasheet.)

4 相信会有很多人没有注意到 Vgs(th) 的这一特性, 这也是正常的, 因为高压 MOSFET 的 datasheet 中压根就没有这个图, 这一点可能是因为高压 MOSFET 的 Vgs(th) 值一般都是 2.5V 以上, 高温时也就到 2V 左右但对于低压 MOSFET 就有点不一样了, 很多低压 MOSFET 的 Vgs(th) 在常温时就很低, 比如 BSC010NE2LS 的 Vgs(th) 是 1.2V~2V, 高温时最低都要接近 0.8V 了, 这样只要在 Gate 有一个很小的尖峰就可能误触发 MOSFET 开启从而引起整个电源系统异常所以, 低压 MOSFET 使用时一定要留意 Vgs(th) 的这个负温度系数的特性!! 5. Ciss, Coss, Crss MOSFET 带寄生电容的等效模型 Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd Ciss, Coss, Crss 的容值都是随着 VDS 电压改变而改变的, 如下图 : 在 LLC 拓扑中, 减小死区时间可以提高效率, 但过小的死区时间会导致无法实现 ZVS 因此选择在 VDS 在低压时 Coss 较小的 MOSFET 可以让 LLC 更加容易实现 ZVS, 死区时间也可以适当减小, 从而提升效率

5 6. Qg, Qgs, Qgd 从此图中能够看出 : 1. Qg 并不等于 Qgs+Qgd!! 2. Vgs 高,Qg 大, 而 Qg 大, 驱动损耗大 7. SOA SOA 曲线可以分为 4 个部分 : 1). Rds_on 的限制, 如下图红色线附近部分此图中 : 当 VDS=1V 时,Y 轴对应的 ID 为 2A,Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150 时,Rds(on) 约为 0.5R 当 VDS=10V 时,Y 轴对应的 ID 为 20A,Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150 时,Rds(on) 约为 0.5R 所以, 此部分曲线中,SOA 表现为 Tj_max 时 RDS(on) 的限制

6 2). 最大脉冲电流限制, 如下图红色线附近部分此部分为 MOSFET 的最大脉冲电流限制, 此最大电流对应 ID_pulse. 3). VBR(DSS) 击穿电压限制, 如下图红色线附近部分此部分为 MOSFET VBR(DSS) 的限制, 最大电压不能超过 VBR(DSS) ==> 所以在雪崩时,SOA 图是没有参考意义的

7 4). 器件所能够承受的最大的损耗限制, 如下图红色线附近部分上述曲线是怎么来的? 这里以图中红线附近的那条线 (10us) 来分析上图中,1 处电压电流分别为 :88V, 59A,2 处电压电流分别为 :600V, 8.5A MOSFET 要工作在 SOA, 即要让 MOSFET 的结温不超过 Tj_max(150 ),Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC 为瞬态热阻. SOA 图中,D=0, 即为 single pulse, 红线附近的那条线上时间是 10us 即 10^-5s, 从瞬态热阻曲线上可以得到 ZthJC=2.4*10^-2 从以上得到的参数可以计算出 : 1 处的 Tj 约为 :25+88*59*2.4*10^-2= 处的 Tj 约为 :25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4

8 MOSFET datasheet 上往往只有 Tc=25 和 80 时的 SOA, 但实际应用中不会刚好就是在 Tc=25 或者 80, 这时候就得想办法把 25 或者 80 时的 SOA 转换成实际 Tc 时的曲线怎样转换呢? 把 25 时的 SOA 转换成 100 时的曲线 : 1). 在 25 的 SOA 上任意取一点, 读出 VDS, ID, 时间等信息如上图,1 处电压电流分别为 :88V, 59A, tp=10us 计算出对应的功耗 :PD=VDS*ID=88*59=5192 (a) PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC --> 此图对应为 Tc=25 (b) (a),(b) 联立, 可以求得 ZthJC=(Tj_max-25)/PD= ). 对于同样的 tp 的 SOA 线上, 瞬态热阻 ZthJC 保持不变,Tc=100,ZthJC= ). 上图中 1 点电压为 88V,Tc=100 时,PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083, 从而可以算出此时最大电流为 I=PD/VDS=2083/88=23.67A 4). 同样的方法可以算出电压为 600V,Tc=100 时的最大电流 5). 把电压电流的坐标在图上标出来, 可以得到 10us 的 SOA 线, 同样的方法可以得到其他 tp 对应的 SOA( 当然这里得到的 SOA 还需要结合 Tc=100 时的其他限制条件 ) ** 这里的重点就是 ZthJC, 瞬态热阻在同样 tp 和 D 的条件下是一样的, 再结合功耗, 得到不同电压条件下的电流另外一个问题,ZthJC/ 瞬态热阻计算 : 1. 当占空比 D 不在 ZthJC 曲线中时, 怎么计算? 2. 当 tp<10us 是, 怎么计算? 1). 当占空比 D 不在 ZthJC 曲线中时 :( 其中,SthJC(t) 是 single pulse 对应的瞬态热阻 )

9 2). 当 tp<10us 时 (tp 为 10us~1s): 8. Avalanche EAS: 单次雪崩能量,EAR: 重复雪崩能量,IAR: 重复雪崩电流雪崩时 VDS,ID 典型波形 :

10 上图展开后, 如下 : MOSFET 雪崩时, 波形上一个显著的特点是 VDS 电压被钳位, 即上图中 VDS 有一个明显的平台 MOSFET 雪崩的产生 :

11 在 MOSFET 的结构中, 实际上是存在一个寄生三极管的, 如上图在 MOSFET 的设计中也会采取各种措施去让寄生三极管不起作用, 如减小 P+Body 中的横向电阻 RB 正常情况下, 流过 RB 的电流很小, 寄生三极管的 VBE 约等于 0, 三极管是处在关闭状态雪崩发生时, 如果流过 RB 的雪崩电流达到一定的大小,VBE 大于三极管 VBE 的开启电压, 寄生三极管开通, 这样将会引起 MOSFET 无法正常关断, 从而损坏 MOSFET 因此,MOSFET 的雪崩能力主要体现在以下两个方面 : 1. 最大雪崩电流 ==>IAR 2. MOSFET 的最大结温 Tj_max ==>EAS EAR 雪崩能量引起发热导致的温升 1) 单次雪崩能量 EAS 上图是典型的单次雪崩 VDS,ID 波形, 对应的单次雪崩能量 EAS 为 : 其中,VBR=1.3BVDSS, L 为提供雪崩能量的电感雪崩能量的典型测试电路如下 :

12 计算出来 EAS 后, 对比 datasheet 上的 EAS 值, 若在 datasheet 的范围内, 则可认为是安全的 ( 当然前提是雪崩电流 <IAR) 同时, 还得注意,EAS 随结温的增加是减小的, 如下图 : 2) 重复雪崩能量 EAR 上图为典型的重复雪崩波形, 对应的重复雪崩能量为 : 其中,VBR=1.3BVDSS.

13 计算出来 EAR 后, 对比 datasheet 上的 EAR 值, 若在 datasheet 的范围内, 则可认为是安全的 ( 此处默认重复雪崩电流 <IAR), 同时也得考虑结温的影响 9. 体二极管参数 VSD, 二极管正向压降 ==> 这个参数不是关注的重点 trr, 二极管反向回复时间 ==> 越小越好 Qrr, 反向恢复电荷 ==>Qrr 大小关系到 MOSFET 的开关损耗, 越小越好,trr 越小此值也会小 10. 不同拓扑 MOSFET 的选择针对不同的拓扑, 对 MOSFET 的参数有什么不同的要求呢? 怎么选择适合的 MOSFET? 1). 反激 : 反激由于变压器漏感的存在,MOSFET 会存在一定的尖峰, 因此反激选择 MOSFET 时, 我们要注意耐压值通常对于全电压的输入,MOSFET 耐压 (BVDSS) 得选 600V 以上, 一般会选择 650V 若是 QR 反激, 为了提高效率, 我们会让 MOSFET 开通时的谷底电压尽量低, 这时需要取稍大一些的反射电压, 这样 MOSFET 的耐压值得选更高, 通常会选择 800V MOSFET 2). PFC 双管正激等硬开关 : a) 对于 PFC 双管正激等常见硬开关拓扑,MOSFET 没有像反激那么高的 VDS 尖峰, 通常 MOSFET 耐压可以选 500V, 600V

14 b) 硬开关拓扑 MOSFET 存在较大的开关损耗, 为了降低开关损耗, 我们可以选择开关更快的 MOSFET 而 Qg 的大小直接影响到 MOSFET 的开关速度, 选择较小 Qg 的 MOSFET 有利于减小硬开关拓扑的开关损耗 3). LLC 谐振移相全桥等软开关拓扑 : LLC 移相全桥等软开关拓扑的软开关是通过谐振, 在 MOSFET 开通前让 MOSFET 的体二极管提前开通实现的由于二极管的提前导通, 在 MOSFET 开通时二极管的电流存在一个反向恢复, 若反向恢复的时间过长, 会导致上下管出现直通, 损坏 MOSFET 因此在这一类拓扑中, 我们需要选择 trr,qrr 小, 也就是选择带有快恢复特性的体二极管的 MOSFET 4). 防反接,Oring MOSFET 这类用法的作用是将 MOSFET 作为开关, 正常工作时管子一直导通, 工作中不会出现较高的频率开关, 因此管子基本上无开关损耗, 损耗主要是导通损耗选择这类 MOS 时, 我们应该主要考虑 Rds(on), 而不去关心其他参数

N-沟道功率MOS管/ N-CHANNEL POWER MOSFET SIF830

N-沟道功率MOS管/ N-CHANNEL POWER MOSFET SIF830 特点 : 热阻低导通电阻低栅极电荷低, 开关速度快输入阻抗高符合 RoHS 规范 FEATURES FEATURES: LOW THERMAL RESISTANCE LOW RDS(ON) TO IMIZE CONDUCTIVE LOSS LOW GATE CHARGE FOR FAST SWITCHING HIGH INPUT RESISTANCE 应用 : 低压高频逆变电路续流电流保护电流 APPLICATION: