如何看懂MOSFET规格书

1、页眉内容如何看懂 MOSFET 规格书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。在电源论坛中，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，论坛高手、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

2、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 datasheet2. 本帖中有 关 MOSFET datasheet 的数据截图来自英飞凌IPP60R190C6 datasheet1VDSDatasheet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 600VMOSFET 就能工作在安全状态 ?相信很多人的答案是“是 !”，曾经我

3、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 C的值，也就是只有在 Tj=25 C时，MOSFET上电压不超过 600V才算是工作在安全状态。MOSFET要是电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 (Table 17)，如下：源用在寒冷的地方，环境温度低到 -40 C甚至更低的话，MOSFETV(BR)DSS 值所以在 MOSFET 使用中，我们都会保留一定的 VDS 的电压裕量，其中点就是为了考虑到低温时 MOSFETV(BR)DSS 值变小了，另外一点是为了应对各种恶例条件下

4、 开关机的 VDS 电压尖峰。 2ID 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 的卜圧:台匕条件有哪些？ 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- 高压能更好 .b)

5、对于高压 MOSFET 还得考虑爬电距离 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 C,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，MOSFETID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

6、)之间的关系(2)MOSFET 通过电流 ID 产生的损耗(1),联立，计算得到ID和Rds_on的关系今天看到一篇文档， 上面有提到 MOSFET 的寿命是跟温度有关的。 (下图红色框 中)3Rds(on)从MOSFET Rds(on)与Tj的图表中可以看至U: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。4Vgs(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 IPP075N15N3G datasheet.相信会有很多人没有注意到V

7、gs(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 1.2V2V ,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！ ！5Ciss, Coss, CrssMO

8、SFET带寄生电容的等效模型Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=CgdCiss, 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。 6Qg, 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 7SOASOA 曲线可以分为 4 个部分

9、：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 C时，Rds(on)约为 0.5R.当 VDS=10V 时，丫 轴对 应的 ID 为 20A , Rds=VDS/ID=0.5R =Tj=150 C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.MOSFET datasheet 上往往只有 Tc=25 和 80C 时的SOA，但实际应用中不会刚好就是在 Tc=25或者80 C,这时候就得想办法把 25C或者80C时的SOA转换成实际T

10、c时的曲线。怎样转换呢？有兴趣的可以发表一下意见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 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。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。 MOSFE

11、T要工作在 SOA，即要让MOSFET 的结温不超过 Tj_max(150 C ),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ZthJC=2.4*10A-2从以上得到的参数可以计算出:间是10us即10A-5S，从瞬态热阻曲线上可以得到1 处的 Tj约为：25+88*59*2.4*10-2=149.6 C 2 处的 Tj 约为：25+600*8.5*2.4*10-2=147.4 CMOSFET datasheet上往往只有 Tc=25和80 C时的SOA，但实际应用中不会刚好就是在 Tc=25或者80

12、C,这时候就得想办法把25C或者80C时的SOA转换成实际Tc时的曲线。怎样转换呢？有兴趣的可以发表一下意见把25C时的SOA 转换成100C时的曲线：1).在25C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=25C (b) (a), (b) 联立，可以求得 ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.0242). 对于同样的tp的SOA线上，舜态热阻ZthJC保持不变，Tc=10

13、0 C, ZthJC=上图中1点电压为88V，Tc=100 C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=23.67A4). 同样的方法可以算出电压为600V , Tc=100 C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 C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.

14、当占空比 D 不在 ZthJC 曲线中时，怎么计算？ 2. 当 tp1).当占空比D不在ZthJC曲线中时：(其中，SthJC(t)是singlepulse对应的瞬态热阻)2.当tp8AvalancheEAS :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:上图展开后，如下:MOSFET 雪崩时，波形上 显的平台个显著的特点是 VDS 电压被钳位，即上图中VDS 有一个明MOSFET 雪崩的产生: 在 MOSFET 的结构中， 实际上是存在一个寄生三极管的， 如图。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+Bo

15、dy 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 =IAR2. MOSFET 的最大结温Tj_max =EAS 、EAR 雪崩能量引起发热导致的温升1）单次雪崩能量计算: 上图是典型的单次雪崩 VDS,ID 波形， 对应的单次雪崩能量为:中， VBR=1.3BV

16、DSS, L 为提供雪崩能量的电感 雪崩能量的典型测试电路如下: 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 ：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.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同时也得考虑结温的影响9 体内二极管参数 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

17、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 ？ 欢迎大家发表意见，看法 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 。 b) 硬开关拓扑我们可MOSFET 存在较大的开关损耗，为了降低开关损耗，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