MOSFET 的功率電流分析

1、MOSFET的功率電流分析通常，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁，列出了連續(xù)漏極電流ID,脈沖漏極電 流IDM,雪崩電流IAV的額定值，然后對于許多電子工程師來說，他們對于這些電流值的 定義以及在實際的設計過程中，它們如何影響系統(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑 不解，本文將系統(tǒng)的闡述這些問題，并說明了在實際的應用過程中如何考慮這些因素，最后 給出了選取它們的原則。連續(xù)漏極電流連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對于功率MOSFET來說，通常連續(xù) 漏極電流ID是一個計算值。當器件的封裝和芯片的大小一定時，如對于底部有裸露銅皮的 封裝DPAK，TO220，D2PAK，DF

2、N5*6等，那么器件的結到裸露銅皮的熱阻R0JC是一 個確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25C，就可以 得到器件允許的最大的功耗PD：當功率MOSFET流過最大的連續(xù)漏極電流時，產生最大功耗為PD：因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計算公式：*氏境兩_ 17max) R宛*鼻口敏兩_ 17max)(1)其中，RDS(ON)_TJ(max)為在最大工作結溫TJ下，功率MOSFET的導通電阻；通常， 硅片允許的最大工作結溫為150C。需要說明的是：上述的電流是基于最大結溫的計算值；事實上，它還要受到封裝的限制。在 數(shù)據(jù)表中，許多公司表示的是基于封裝限

3、制最大的連續(xù)漏極電流，而有些公司表示的是基于 最大結溫的電流，那么它通常會在數(shù)據(jù)表注釋中進行說明，并示出基于封裝限制的最大的連 續(xù)漏極電流。在公式(1)中，需要測量器件的熱阻R0JC，對于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測 試的，通常是將器件安裝在一個1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的 封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝，如SOT23, SO8等，圖1中 的R0JC通常要改變?yōu)镽0JL，R0JL就是結到管腳的熱阻，這個管腳是芯片內部與襯底相 連的那個管腳。腹西焊迂,大鼠度T.圖1等效熱阻模型Tt*M/VrfAAAr-J功率MOSFET有一個反并聯(lián)的寄生二極

4、管，二極管相當于一個溫度傳感器，一定的溫度對 應著一定的二極管的壓降，通常，二極管的壓降和溫度曲線需要進行校準。測試時，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過一定的電流，當器件進入熱平衡狀態(tài) 時，測量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。通過二極管的壓降和通過的電流，可以計算功耗；通過二極管的壓降可以查到結溫，根據(jù)功 耗、結溫和器件裸露銅皮或與芯片內部襯底相連的管腳的溫度，可以計算得到R0JC或 R0JLo根據(jù)功耗、結溫和環(huán)境溫度，還可以計算得到R0JAo特別強調的是，R0JC不是結到器件的塑料外殼溫度。R0JA是器件裝在一定尺寸的PCB板 測量的值，不

5、是只靠器件本身單獨散熱時的測試值。實際的應用中，通常 R0JT+ReJAReJC+R0CA，器件結到環(huán)境的熱阻通常近似為：R0JAR0JC+ReCA熱阻ReJC確定了，就可以用公式（1）計算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID，當 環(huán)境溫度升高時，相應的ID的值也會降低。裸露銅皮的封裝，使用ReJC或ReJA來校核功率MOSFET的結溫，通?？梢栽龃笊崞?， 提高器件通過電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用ReJL或ReJA來校核功率 MOSFET的結溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導通 損耗，在實際的設計過程中，要計算功率MOSFET的最大功耗包括導通

6、損耗、開關損耗、 寄生二極管的損耗等，然后再根據(jù)功耗和熱阻來校核結溫，保證其結溫小于最大的允許值， 最好有一定的裕量。上述計算過程中，ID是基于硅片的最大允許結溫來計算的，實際的ID還要受到封裝的影響， 特別是底部具有裸露銅皮的封裝。封裝限制通常是指連接線的電流處理能力。對于額定的連接線的電流限制，常用的方法是基 于連接線的熔化溫度。當連接線的溫度大于220r時，會導致外殼塑料的熔化分解。在許多 情況下，硅電阻高于線的電阻的10倍以上，大部分的熱產生于硅的表面，最熱的點在硅片 上，而且結溫通常要低于220C,因此不會存在連接線的熔化問題。連接線的熔化只有在器 件損壞的時候才會發(fā)生。有裸露銅皮器

7、件在封裝過程中硅片通過焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接 的平整度會使局部的連接電阻分布不均勻，通過連接線連接硅片的管腳，在連接線和硅片結 合處會產生較高的連接電阻，因此實際的連續(xù)漏極電流ID會小于數(shù)基于結溫計算的電流。基于封裝限制的電流是測試的實際工作的最大電流，因此，在數(shù)據(jù)表中，寄生二極管 的電流通常也用這個值表示。脈沖漏極電流脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IDM，對于這個電流值，許多工程師不明 白它是如何定義的。通常，功率MOSFET也可以工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)。如果功率MOSFET穩(wěn)態(tài) 工作在可變電阻區(qū)，此時，對應的VGS的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠遠

8、大于系統(tǒng)的最大電 流，因此在導通過程中，功率MOSFET要經(jīng)過Miller平臺區(qū)，此時Miller平臺區(qū)的VGS 的電壓對應著系統(tǒng)的最大電流。然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增 加，進入到可變電阻區(qū)，最后，VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅動電壓，Miller平臺區(qū)的電壓和 系統(tǒng)最大電流的關系必須滿足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性。也就是，對于某一個值的VGS1，在轉移工作特性或輸出特性的電流為IDM1，器件不可能 流過大于IDM1的電流，轉移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。這也表明，數(shù)據(jù)表中功率MOSFET脈沖漏極電流額定值IDM對應著器件允許的

9、最大的 VGS，在此條件下，器件工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)時，器件能夠通過的最大漏極電 流，同樣，最大的VGS和IDM也要滿足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性。另外，最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結溫的限制，IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下，功 率MOSFET的結溫可能會超出范圍。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻，可以滿 足最大結溫的限制。因此IDM要滿足兩個條件：（1）在一定的脈沖寬度下，基于功率MOSFET的轉移工作特性 或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測量值；（2）在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和 最大結溫的計算值。數(shù)據(jù)表通常取二者中較小的一個。功率MOSFET的數(shù)據(jù)

10、表后面通常列出了瞬態(tài)的熱阻的等效圖。因為VGS限定的漏極的電流，單純的考慮IDM對于實際應用沒有太多的參考價值，因為實 際的應用中，柵極的驅動電壓通常小于最大的額定電壓。同樣的，在實際的柵極驅動電壓下， 單純的考慮電流也沒有意義，而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時間。IDM和實際的應用最相關的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路，因此，在系統(tǒng)控制器的柵驅動電壓下， 測試短路時最大漏極電流的持續(xù)時間。通常在設計過程中，使系統(tǒng)短路保護時間小于1/3 1/2的上述的持續(xù)時間，這樣才能使系統(tǒng)可靠。事實上，對于大電流，在導通狀態(tài)下或關斷的過程，由于芯片內部的不平衡或其他一些至今 還沒有理論可以解釋的原因，即使芯片沒有超過結溫

11、，也會產生損壞。因此，在實際的應用中，要盡量的使短路保護的時間短，以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖 擊。具體方法就是減小短路保護回路的延時，中斷響應的時間等。在不同的柵級電壓下測量短路電流，測試波形如圖2所示，采用的功率MOSFET為AOT266。 圖2(a)： VGS電壓為13V，短路電流達1000A，MOSFET在經(jīng)過473后電流失控而損壞; 圖2(b)： VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經(jīng)過68卜后電流失控而損壞。 電流測試使用了 20:1的電流互感器，因此電流為200A/格。31崎*時利圖2 AOT266短路測試波形可以的看到，VGS =13V，最大電流為1000A

12、，持續(xù)的時間為473； VGS =8V，最大電流 為500A，持續(xù)的時間為68卜。雪崩電流雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET抗過壓沖 擊的能力。在測試過程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開 通的時間增加，然后關斷，直到功率MOSFET損壞，對應的最大電流值就是最大的雪崩電 流。在數(shù)據(jù)表中，標稱的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理，因此它是一個可 以保證的參數(shù)。一些功率MOSFET供應商會對這個參數(shù)在生產線上做100%全部檢測，因 為有降額，因此不會損壞器件。注意：測量雪崩能量時，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關狀態(tài)下，因