MOSFET的Datasheet
首先來介紹一下Datasheet是什么意思吧。它一般指數(shù)據(jù)表的意思，MOSFET的Datasheet就是MOS管的數(shù)據(jù)表，即是規(guī)格書。
所有功率MOS制造廠商都會(huì)提供每種型號產(chǎn)品的詳細(xì)說明書。說明書用來說明各種產(chǎn)品的性能，這對于在不同廠商之間選擇相同規(guī)格的器件很有用。
在一些情況下，不同廠商所提供的參數(shù)所依據(jù)的條件可能有微妙的區(qū)別，尤其在一些非重要參數(shù)例如切換時(shí)間。另外，數(shù)據(jù)說明書所包含的信息不一定和應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。因此在使用說明書和選擇相同規(guī)格的器件時(shí)需要特別當(dāng)心以及要對數(shù)據(jù)的解釋有確切的了解。本文以BUK553-100A為例，這是一種100V邏輯電平MOS管。
功率MOS數(shù)據(jù)說明書所包含的信息，數(shù)據(jù)說明書一般由以下八個(gè)部分組成：
1、快速參考數(shù)據(jù)
2、讀懂極限值
3、靜態(tài)特性
4、動(dòng)態(tài)特性
5、反向二極管極限值及特性
6、雪崩極限值
7、安全運(yùn)行區(qū)域
8、測量電流
下面我們將一一介紹這8個(gè)組成部分。
1、快速參考數(shù)據(jù)
這些數(shù)據(jù)作為迅速選擇的參考。包括器件的關(guān)鍵參數(shù)，這樣工程師就能迅速判斷它是否為合適的器件。在所包括的五個(gè)參數(shù)中，最重要的是漏源電壓VDS是和開啟狀態(tài)下的漏源阻抗RDS（ON）。VDS是器件在斷開狀態(tài)下漏極和源極所能承受的最大電壓。RDS（ ON）是器件在給定柵源電壓以及25℃的結(jié)溫這兩個(gè)條件下最大的開啟阻抗（RDS（ON）由溫度所決定，見其靜態(tài)特性部分） 。這兩個(gè)參數(shù)可以說明器件最關(guān)鍵的性能。
漏極電流值（ID）和總耗散功率都在這部分給出 。這些數(shù)據(jù)必須認(rèn)真對待因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)說明書的給定的條件很難達(dá)到（見極限值部分）。在大多數(shù)應(yīng)用中，可用的dc電流要比快速參考說明中提供的值要低。限于所用的散熱裝置，大多數(shù)工程師所能接受的典型功率消耗要小于20W（對于單獨(dú)器件）。結(jié)溫（TJ）通常給出的是150℃或者175℃。器件內(nèi)部溫度不建議超過這個(gè)值。
2、讀懂極限值
這個(gè)表格給出六個(gè)參數(shù)的絕對最大值。器件可以在此值運(yùn)行但是不能超出這個(gè)值，一旦超出將會(huì)對器件發(fā)生損壞。
漏源電壓和漏柵電壓有同樣的值。給出的數(shù)據(jù)為可以加在各相應(yīng)端所使用的最大電壓。柵源電壓VGS，給出在柵極和源極之間允許加的最大電壓。一旦超過這個(gè)電壓值，即使在極短的時(shí)間內(nèi)也會(huì)對柵極氧化層產(chǎn)生永久性損害。給出的兩個(gè)直流漏極電流值ID，一個(gè)是在背板溫度為25℃時(shí)，另一個(gè)是在背板溫度為100℃時(shí)。再且這些電流值不代表在運(yùn)行過程中能夠達(dá)到。當(dāng)背板溫度在所引述的值時(shí)，這些電流值將會(huì)使得結(jié)溫達(dá)到最大值。因此最大電流降額作為背板溫度的函數(shù)，所引用的兩個(gè)值曲線是降額曲線上的兩個(gè)點(diǎn)（見圖一）。
引述的第三個(gè)電流值是脈沖峰值IDM。功率MOS器件總的來說都有很強(qiáng)的峰流通過能力。連接管腳和芯片上的內(nèi)部接線決定該極限值。IDM所能應(yīng)用的脈沖寬度取決于熱考慮（見計(jì)算電流的部分）。總消耗功率，Ptot，以及最大結(jié)溫在快速參考數(shù)據(jù)中也已說明。Ptot的值在等式1中以商的形式給出（見安全運(yùn)行區(qū)部分）。所引述的條件是襯底溫度保持在25℃。例如，BUK553- 100A的Ptot值為75W，消耗這個(gè)功率使襯底溫度保持在25℃是極大的挑戰(zhàn)。襯底溫度越高，能耗散的總耗散功率越低。
很顯然如果襯底溫度等于最大允許的結(jié)溫時(shí)，沒有功率可被耗散掉。如圖2的降額曲線，此器件的結(jié)溫為175℃。
引述的存儲(chǔ)溫度通常在-40/-55℃ 和+150/+175℃之間。存儲(chǔ)溫度和結(jié)溫是由我們質(zhì)量部門經(jīng)過廣泛的可靠性測量后所指定的。超過所給出的溫度將會(huì)使可靠性降低。
絕緣封裝時(shí)，背板（硅芯片安裝在上面的金屬層）完全壓縮在塑料中。因此無法給出結(jié)點(diǎn)到背板的熱阻值，取代之是結(jié)點(diǎn)到散熱片的Rthj-hs，它表現(xiàn)出散熱片復(fù)合的作用。當(dāng)比較絕緣封裝和非絕緣封裝型號的熱阻時(shí)必須特別小心。例：非絕緣BUK553-100A的Rthj-mb為2K/W。絕緣BUK543-100A的Rthj-hs為5K/W。它們有同樣的晶體但是所封裝不同。初比較時(shí)，非絕緣的型號似乎可以承受更大功率（即電流）。然而BUK553-100A在結(jié)點(diǎn)到散熱片的熱阻測量中, 這還包括背板和散熱片之間的額外熱阻。一些絕緣措施用在大多數(shù)情況中, 例如云母墊圈，其背板到散熱片的熱阻為2K/W。因此結(jié)點(diǎn)到散熱片的總熱阻為Rthj-hs（非絕緣型）=Rthj-mb+Rthmb-hs =4K/W，可以看出實(shí)際中絕緣和非絕緣型的型號區(qū)別并不大。
3、靜態(tài)特性
這個(gè)部分的參數(shù)描述擊穿電壓，開啟電壓，泄漏電流，開啟阻抗的特性。漏源擊穿電壓比漏源電壓的極限值要大。它可以用曲線跟蹤儀測量，當(dāng)柵極端和源極端短路時(shí)，它是漏極電流為250uA時(shí)的電壓。柵極開啟電壓VGS（TO），表示的是使器件達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)柵極（相對于源極）所需要的電壓。對于邏輯電平器件來說，柵極開啟電壓通常在1.0和2.0V間；對于標(biāo)準(zhǔn)器件則是2.1到4V之間。
圖3的表示漏極電流為VGS的函數(shù)說明典型的傳輸特性。圖4表示柵極開啟電壓隨著結(jié)溫而變化。在次開啟傳導(dǎo)時(shí)，圖5表示在VGS電平低于門檻時(shí)漏極電流怎樣隨著柵源電壓變化。
斷電狀態(tài)時(shí)泄漏電流是漏源和柵源在各自所能承受最大電壓情況下所規(guī)定的。注意到盡管柵源泄漏電流以十億分之一安培為單位表示，它們的值遵循兆分之一安培而變化。
漏源導(dǎo)通電阻具有重要意義。它是當(dāng)邏輯電平場效應(yīng)管柵源電壓5V時(shí)的值；標(biāo)準(zhǔn)器件時(shí)柵源電壓為10V時(shí)的值。在10V以上增加?xùn)旁措妷簳r(shí)，標(biāo)準(zhǔn)MOS管的導(dǎo)通電阻沒有明顯減少。減少柵極電壓然而可以增加導(dǎo)通電阻。對于邏輯電平場效應(yīng)管來說，BUK553-100A，在柵極電壓為5V的情況下給出導(dǎo)通電阻，然而當(dāng)柵極電壓到達(dá)10V時(shí)，導(dǎo)通電阻將明顯減少，這是由于其輸出特性圖6和導(dǎo)通電阻特性圖7決定（BUK553-100A）。
（插圖5）
4、動(dòng)態(tài)特性
包括跨導(dǎo)，電容以及轉(zhuǎn)換時(shí)間。正向跨導(dǎo) Gfs，是增益參數(shù)，它表示在器件飽和狀態(tài)下，柵極電壓的變化引起的漏極電流的變化（MOSFET的飽和特性參考輸出特性的平面部分）。
圖9表示BUK553-100A中作為漏極電流函數(shù)的Gfs是怎樣變化的。
電容被大多數(shù)制造廠商分成輸入電容，輸出電容以及反饋電容。所引述的值是在漏源電壓為25V情況下的。僅表明了一部分性質(zhì)因?yàn)镸OSFET電容值是依賴于電壓值的，當(dāng)電壓降低時(shí)電容升高。
圖10表明電容隨電壓的變化情況。電容數(shù)值的作用是有限的。輸入電容值只給出一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電路所需的充電說明。可能柵極充電信息更為有用。如圖11給出的例子。它表明為達(dá)到一個(gè)特定的柵源電壓柵極所必須充的電量。
例如把BUK553-100A充電到VGS=5V，漏源電壓為80V，所需12.4nc的電量。這樣的充電速度可以滿足柵極電路電流的需要。
阻抗負(fù)載切換時(shí)間也被許多制造廠商所引述，然而必須極其小心地比較不同制造廠商所給的數(shù)據(jù)說明。功率MOSFET的切換速度只受電路以及封裝自感限制，電路中的實(shí)際速度是由內(nèi)部電容被驅(qū)動(dòng)電路充電和放電的速度所決定的。切換時(shí)間因此很大程度上取決于所處的電路環(huán)境；一個(gè)低的柵極驅(qū)動(dòng)電阻將會(huì)提供更短的切換時(shí)間反之亦然。飛利浦?jǐn)?shù)據(jù)說明中所有的功率MOS的切換時(shí)間都是在柵源之間放一50W電阻的情況下測得的。這個(gè)器件是由一源極阻抗為50W的脈沖發(fā)生器切換的。總的柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗因此為25。
動(dòng)態(tài)特性也包括典型封裝自感，當(dāng)電路中的切換速度很快時(shí)，即dI/dt值很大時(shí)，自感變得非常重要。例如，在60ns中變化30A給出的dI/dt為0.5 A/ns，源極引線的典型自感為7.5nH，由V=-L*dI/dt得出從內(nèi)部源極（內(nèi)部連接源極的導(dǎo)線與芯片結(jié)合的部分）到外部引腳的電壓為3.75V，正常標(biāo)準(zhǔn)器件被柵源電壓為10V所驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)際半導(dǎo)體上柵源電壓在開啟狀態(tài)下只有6.25V，因此切換速度最終被封裝自感所限制。
5、反向二極管極限值及特性
反向二極管是垂直結(jié)構(gòu)的功率MOSFET固有的，在一些電路中這種二極管有重要功能，因此這種二極管的特性需要詳細(xì)說明。這種二極管里允許通過的正向電流被敘述成“連續(xù)反向漏極電流” 和“ 脈沖反向漏極電流”。如圖12，順向壓降也是特性之一。這種二極管的切換能力根據(jù)反向恢復(fù)參數(shù)trr和Qrr給出。
因?yàn)槎O管作為雙極器件，它受到電荷儲(chǔ)存的影響。因?yàn)槎O管要斷開電荷必須清除。反向恢復(fù)電荷由Qrr給出，反向恢復(fù)時(shí)間由trr，給出，注意trr完全由電路中-dIf/dt決定，它在數(shù)據(jù)說明書中的值為100A/s。
6、雪崩極限值
這個(gè)參數(shù)是產(chǎn)品處理瞬時(shí)過壓能力的指示。如果電壓超過漏源極限電壓將導(dǎo)致器件處在雪崩狀態(tài)。這個(gè)強(qiáng)度是根據(jù)背板溫度為25℃時(shí)漏極接不鉗位電感，器件非重復(fù)關(guān)斷所能承受的能量來定義的。這個(gè)能量水平在背板溫度越高時(shí)越小，如圖13。
無重復(fù)意味著電路不應(yīng)設(shè)計(jì)成使功率MOS重復(fù)處于雪崩狀態(tài)。運(yùn)行該能力只允許意外的電路條件導(dǎo)致瞬時(shí)過壓發(fā)生時(shí)，器件能夠幸免損壞。
飛利浦的新一代中壓MOSFET也具有重復(fù)雪崩能。根據(jù)背板溫度為25℃，MOSFET漏極接無鉗位電感反復(fù)切換所能承受的能量，它表明器件能夠經(jīng)得住反復(fù)瞬間漂移到雪崩擊穿狀態(tài)，并且結(jié)溫不超過極限值。
7、安全運(yùn)行區(qū)域
每種功率MOS都給出其安全運(yùn)行區(qū)域。不同于雙極型晶體管，功率MOS不會(huì)表現(xiàn)出二次擊穿機(jī)制，因此安全運(yùn)行區(qū)域只簡單從導(dǎo)致結(jié)溫達(dá)到最大允許值時(shí)的耗散功率定義。圖14表示的是BUK553-100的安全區(qū)域。這個(gè)區(qū)域受有限的漏源電壓和有限的電流值以及不同脈沖周期的恒定功率曲線所限制。這里都是以背板溫度為25℃為前提的。恒定功率曲線表示使結(jié)溫升高Tjmax-Tmb的功率。Tjmax為175℃的器件的Tjmax–Tmb等于150℃；Tjmax為150℃ 的器件的Tjmax–Tmb等于125℃。很顯然在多數(shù)應(yīng)用中背板溫度高于25℃，因此安全區(qū)域面積會(huì)減少，可以很簡單的測算最大功率。
直流曲線以結(jié)點(diǎn)到背板的熱阻（在絕緣封裝的情況下結(jié)點(diǎn)到散熱片）代入等式1。脈沖運(yùn)行曲線假定為單次開關(guān)，用瞬時(shí)熱阻值代替熱阻值。每種型號的瞬時(shí)熱阻都以圖表數(shù)據(jù)表示，如圖15。為測算單次開關(guān)耗散功率的能力，需要的脈沖寬度值從曲線D=0開始，代入等式2。
下面將是如何計(jì)算1ms脈沖時(shí)最大耗散功率的例子。
例1計(jì)算在Tjmax為175℃，Tmb為25℃時(shí)最大耗散功率。這個(gè)功率等于圖14安全運(yùn)行區(qū)域1ms曲線下的面積。例2是說明當(dāng)Tmb高于 25℃時(shí)，所耗散的功率是如何減少的。
469W這條線可以在圖14上觀察到。（4.69A@100V和15.6A@30V等）
例2：BUK553-100A在75℃，1ms的脈沖下，Zth= 0.32K/W， Tjmax=175℃，Tmb =75℃
因此當(dāng)背板溫度為75℃時(shí)，最大允許耗散的功率與25℃時(shí)的值比較減少了1/3 。
8、測量電流
數(shù)據(jù)表中引述的電流額直接來源于最大耗散功率：
用等式1代替Ptot，得等式4：
為了測得一個(gè)更真實(shí)的電流，有必要用所需運(yùn)行時(shí)結(jié)溫代替等式4中的Tjmax以及用實(shí)際工作值代替Tmb，一般來說建議不要將器件一直運(yùn)行在Tjmax狀態(tài)下。為了達(dá)到長期的穩(wěn)定性，125℃是比較合適的結(jié)點(diǎn)運(yùn)行溫度。Tmb在75℃和110℃之間的值也是較為典型。
拿BUK553-100A來說，它有一個(gè)13A的電源電流級別。設(shè)Tmb為100℃，Tj為125℃時(shí)，器件電流計(jì)算如下：
從圖8得：
Rthj-mb=2K/W代入等式4得：
因此器件在這些條件下傳導(dǎo)電流為6.3A即12.5W的耗散功率。
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