深入理解 mosfet /datasheet · mosfet...
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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:
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. 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.)
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。
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
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?
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=0.024
2). 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=23.67A
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)
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:
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 ==>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:
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.
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。
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。