如何看懂MOSFET规格书
2020-09-05 17:11:12
hongling
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(Table 17)，如下： 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
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。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。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IPP075N15N3 G datasheet.)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！！5Ciss, Coss, CrssMOSFET
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：
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.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？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。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=149.6℃2处的Tj约为：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃
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？有兴趣的可以发表一下意见~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=0.0242). 对于同样的tp的SOA线上，瞬态热阻ZthJC保持不变，Tc=100℃，ZthJC=0.024.3). 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=23.67A4). 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tp1). 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）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：
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 ==>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：
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：
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：
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.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。