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看懂MOSFET数据表

面包板社区 · 公众号 · · 2024-05-26 19:59

正文

在看到MOSFET数据表时，你一定要知道你在找什么。虽然特定的参数很显眼，也一目了然（BV _DS 、R _DS(ON) 、栅极电荷），其它的一些参数会十分的含糊不清、模棱两可（IDA、SOA曲线），而其它的某些参数自始至终就毫无用处（比如说：开关时间）。在这个即将开始的博文系列中，我们将试着破解FET数据表，这样的话，读者就能够很轻松地找到和辨别那些对于他们的应用来说，是最常见的数据，而不会被不同的生产商为了使他们的产品看起来更吸引人而玩儿的文字游戏所糊弄。

UIS/雪崩额定值

自从20世纪80年代中期在MOSFET 数据表中广泛使用的以来，无钳位电感开关 (UIS) 额定值就已经被证明是一个非常有用的参数。虽然不建议在实际应用中使用FET的重复雪崩，工程师们已经学会了用这个度量标准在制定新器件开发方案时避免那些有可能导致问题的脆弱器件。在温度范围内具有特别薄弱UIS能力或者发生严重降级的器件（25°C至125°C之间大于30%）应当被禁止，因为这些器件会更容易受到故障的影响。设计人员也应该对制造商在额定值上捣鬼，夸大他们的FET雪崩能力而感到厌烦。

UIS测试由图1中所示的测试电路执行。在FET关闭时，其上施加了一个电源电压，然后检查器件上是否有泄露。在FET接通时，电感器电流稳定增加。当达到所需的电流时，FET被关闭，FET上的Ldi/dt电压摆幅在MOSFET击穿电压之上，从而激活了其内在的寄生双极晶体管，并在FET上出现有效的雪崩效应。这项测试重复进行，电流逐渐增加，直到开始的泄漏测试失败，表明器件已被损坏。

图 1—UIS 测试电路

方程式E = ½ LI ² 计算的是FET的雪崩能量。这是测试的开始。通过改变电感器尺寸，你能够更改受测器件上施加的应力。可以预见的是，电感器越大，损坏FET所需的UIS电流越低。然而，这个较小的电流不会被方程式（用于计算雪崩能量）中电感器增加的尺寸抵消，这样的话，尽管电流减少了，这个值实际上是增加了。表1中说明了这个关系，其中列出了从测试中的TI CSD18502KCS 60V NexFET™ 功率MOSFET器件中搜集的数据。

表 1— 雪崩能量 (E _AS ) 和电流 (UIS) 与电感器之间的关系

在电路中使用最小电感器时 (0.1mH)，会出现应力最大、电流最高的测试。TI使用0.1mH电感器来测试所有即将投入量产的器件，并且在FET数据表内给出与之相关的能量值。然而，由于没有针对这个值的硬性行业标准，因此，为了使他们的器件看起来好像具有较高的雪崩能量能力，某些厂商将在他们的UIS测试中使用较大的电感器。因此，设计人员在处理雪崩额定值时要小心，并且一定要在比较不同供货商的FET之前询问UIS测试条件。

安全工作区 (SOA) 图

作为一名功率MOSFET的产品营销工程师，在FET数据表的所有内容中，除了电流额定值之外，我被问到的最多的问题可能就是安全工作区 (SOA) 曲线了。这是一片需要某些技巧和手段才能完全了解的地带，这是因为每个供应商都有各自生成SOA曲线的方法，并且在提供有用信息方面，这个曲线所具有的价值与阅读数据表的人对于读到的信息的理解能力直接相关。虽然FET也许在热插拔应用中能够发挥其最大价值（在这些应用中，FET特意地在其线性区域内运行），不过，我们看到越来越多的电机控制、甚至是电源用户将这个图用作总体稳健耐用性，以及FET处理大量功率能力的指示器。

如图1所示，可以用5个完全不同的限制条件来绘制整个SOA，每个限制条件规定了整个曲线的形状，TI的100V D2PAK CSD19536KTT的SOA与产品数据表内的曲线看起来一样。可以用已知的FET参数来轻松绘制出其中四条曲线—RDS(on) 限值、电流限值、最大功率限值，以及BV _DSS 限值。只有散热不稳定性区域出现了一个问题。很明显，这个部分的SOA曲线偏离了恒定功率线，这条线必须是电流与电压双对数坐标内斜率为-1的曲线，这个偏离表示会出现了热失控，并且斜坡越陡，说明FET越有可能在更高的击穿电压时进入这个散热失控情况。当FET供货商试图计算这个值时，往往倾向于夸大这个区域内的FET电流能力或者在这一点上有所保留，这是因为在不对这条线进行测量的情况下是根本无法知晓这条线的斜率的。

图 1 ： CSD19536KTT 的数据表 SOA

TI拥有市面上其中一款最强大的SOA测试器；这个测试器能够在低至100µs的时间内，在脉冲持续时间内，让数千瓦的功率流经一个FET。为了产生数据表曲线，在一定的电压范围内，在每个脉冲持续时间内，FET被一次又一次地推到断线点，从中获得的数据如下面图2中所示。每个点代表一个被强制出现故障的CSD19536KTT器件，根据这些数据，就可以确定热失控线的斜率和高度。

图 2 ： CSD19536KTT 测得的故障点

作为我们SOA曲线可靠性的最终保证，根据我们看到的部件到部件偏差，我们在任意位置上将每一条测得的热失控线线的额定值降低30%-40%。这样的话，当你把我们FET的数据表与我们竞争对手的产品进行比较时，需要注意的一点是，他们也许不像我们一样守规矩。我们已经认识到某些供应商的真面目。我们也看到其它一些供应商发布了真实的故障点，并且将其宣称为一定能够实现的SOA。在这一方面没有行业标准，而事实是，在没有基础数据表明部件实际上在何处出现故障的情况下，单单从数据表SOA曲线上是无法知晓那个部件更加可靠。

在“看懂MOSFET数据表”的第3部分中，我将讲解出现在所有MOSFET数据表首页上的这些让人头疼的电流限值，演示得到这些限值的方法，并说明它们对于设计人员的实际用途。

连续电流额定值

我们来谈一谈MOSFET电流额定值，以及它们是如何变得不真实的。好，也许一个比较好的解释就是这些额定值不是用确定R _DS(ON) 和栅极电荷等参数的方法测量出来的，而是被计算出来的，并且有很多种不同的方法可以获得这些值。

例如，大多数部件中都有FET“封装电流额定值”，这个值同与周围环境无关，并且是硅芯片与塑料封装之间内在连接线的一个函数。超过这个值不会立即对FET造成损坏，而在这个限值以上长时间使用将开始减少器件的使用寿命。高于这个限值的故障机制包括但不限于线路融合、成型复合材料的热降解、以及电迁移应力所导致的问题。

然后是我们考虑的“芯片限值”，通常通过将外壳温度保持在25˚C来指定。基本上，这个条件假定了一个理想的散热片，只使用结至外壳热阻来计算器件能够处理的最大功率（在下面的方程式1和2中显示）。换句话说，假定R _{θCase-to-Ambient} 为零，这在应用中并不是一个很实用的条件，这样的话，最好将这个电流额定值视为表示器件R _DS(ON) 和热阻抗的品质因数。

(1),

(2),

下面的图表1a和1b分别给出了CSD18536KCS和CSD18535KCS 60V TO-220 MOSFET数据表首页上出现的绝对最大额定值表。这两个器件的封装额定值均为200A，不过，由于CSD18536KCS具有更低的R _DS(ON) 和热阻抗，它具有349A的更高芯片限值，这表明，在处理同样数量的连续电流时，它的运行温度应该比CSD18535KCS的工作温度低。不过，我们还是不建议将这两款器件长时间运行在电流超过200A的条件下。从FET的角度说，这就意味着任一超过100ms的电流脉冲；超过这个值的电流脉冲基本上就可以被视为DC脉冲。

图表 1a ： CSD18535KCS 绝对最大额定值表

图表 1b ： CSD18536KCS 绝对最大额定值表

某些QFN数据表还包括一个第3连续电流，计算方法与芯片限值的计算方法完全一样，不过，如表格下方的脚注所示，它是器件测得的R _θJA 的函数。使用R _θJA （对于一个标准的SON5x6封装来说，典型值为40˚C/W）来计算最大功率的方法假定QFN在应用中只处理3W左右的功率。因此，对于未暴露于任何散热片或使用其它冷却机制的QFN器件来说，这个计算方法给出了更加实际的DC电流限值。

在“看懂MOSFET数据表”的第4部分，我将给出对于脉冲电流额定值，I _DM ，的相似分析，并且给出这个值与数据表中其它参数之间的关联关系，其中包括SOA。

脉冲电流额定值

下面将谈论脉冲电流额定值、它们的计算方法以及在FET产品说明书的安全工作区图中是如何描绘它们的。

产品说明书首页上出现的脉冲电流额定值（I _DM ）与连续电流额定值很相似，因为它是一个理论上的计算值。然而，与连续电流额定值不同的是，I _DM 只是作为热约束条件（从正在标准化的R _θJC 到给定的脉冲持续时间以及“绝对最大额定值”表的脚注中明确规定的占空比）的函数被计算出来的。

以CSD17579Q5A 30V N通道MOSFET为例。该部件的产品说明书规定了105A的最大脉冲电流额定值，基本条件是脉冲持续时间小于或等于100μs，占空比小于或等于1％。为确定用于计算I _DM 的瞬态热阻抗，我们将参阅下面图1所示的标准化热阻抗曲线。如果我们在脉冲持续时间为100μs时看1％的占空比（棕色）线，得到的标准化因数为0.12，我们将用它来计算最大功率，并由此计算出该器件在这样的脉冲持续时间和占空比条件下可处理的电流。计算这个值要用0.12乘以最大直流（DC）R _θJC （4.3˚C/W），得出的瞬态Z _θJC 为0.52˚C/W。

图 1 ： CSD17579Q5A 标准化瞬态热阻抗曲线

使用这个热阻抗值并计算最大电流（就像我们计算其对应的连续电流那样），我们将计算出的热限制电流为119A。但是请稍等！产品说明书规定的是105A！那怎么办呢？如果您瞧瞧图2在下面所展示的该器件的安全工作区（SOA），可以看出100μs的线在达到119A前实际上碰到了R _DS _（ _ON _）的极限值。这个交点出现在105A处。所以，在这样的情况下，我们将追溯性地减小绝对最大脉冲电流，因为该器件的R _DS _（ _ON _）的物理极限值将限制该器件，使其不能达到热极限值。

图 2 ： CSD17579Q5A 安全工作区

我们为出现在SOA的每个较大脉冲计算出电流极限值（前提条件是它们不会先碰到R _DS _（ _ON _）的极限值），这个值就是那些曲线的上限。

因为绝对最大电流完全是理论上的，所以在发布该部件之前，我们将尝试获得一些硬数据来进一步使自己确信：该部件有能力处理这么大的功率。遗憾的是，我们最好的电路板和测试仪也只能使器件的最大脉冲电流达到400A，这就是那个值能一直为我们发布的所有器件充当人为设置的上限的原因。一些供应商规定了类似的上限，然而其它供应商并不以这样一种方式限制自己。虽然您永远不会看到TI给FET定超过400A的I _DM ，（无论是在首页还是在SOA），但下面的表1却向您展示了在这个CSD17570Q5B（一种具有极低R _DS _（ _ON _）（最大值仅为0.69mΩ）和热阻抗（0.8˚C/W）的部件）的例子中，理论上的脉冲电流额定值可以高得多么离谱。这用实例说明了如果不同的供应商不认真对待功能参数（如脉冲持续时间）并忽略测试该器件时的实际极限值，它们如何能在夸示了较高的额定值后不被发觉。

表 1 ：计算的 CSD17570Q5B 脉冲电流

在“了解MOSFET产品说明书”的第五部分，笔者将为脉冲电流额定值（I _DM ）提供类似的分析，并展示这与产品说明书中的其它参数（包括SOA）有何联系。

开关参数

最后，我们来到了这个试图破解功率MOSFET数据表的“看懂MOSFET数据表”博客系列的收尾部分。在这个博客中，我们将花时间看一看MOSFET数据表中出现的某些其它混合开关参数，并且检查它们对于总体器件性能的相关性（或者与器件性能没什么关系）。

另一方面，诸如FET固有体二极管的输出电荷 (Q _OSS ) 和反向恢复电荷(Q _rr ) 等开关参数是造成很多高频电源应用中大部分FET开关损耗的关键因素。不好意思，我说的这些听起来有点儿前言不搭后语，不过设计人员在根据这些参数比较不同的FET时要小心，这是因为测试条件决定一切，事情往往是如此！

图1显示的是，在TI CSD18531Q5A 60V MOSFET的两个不同di/dt速率上测得的输出电荷和反向恢复电荷，这代表了一个事物的两个方面。在左侧，Q _rr 在360A/µs时测得的值为85nC，在右边，2000A/µs时测得的值为146nC。虽然没有测量部件的di/dt行业标准，但我们已经发现，为了得到极地的Q _rr ，我们的竞争对手将测量时的di/dt速率调低至100 A/us。

图 1 ： 360A/µs （左侧）和 2000A/µs （右侧）时，在 CSD18531Q5A 上测得的 Q _rr 和 Q _OSS 值。

Q _rr 甚至可以对测试执行性的二极管正向电流 (I _f ) 具有更强的依赖关系。而进一步使事情复杂化的原因在于，某些厂商未将Q _OSS 作为一个单独参数包含在内，而是只将这个参数吸收到Q _rr 的技术规格当中。除了数据表中列出的测试条件，事实上，其它诸如电路板寄生电感和主观测量方法等考虑也使得比较单独厂商数据表中的这些参数变得不太可能。这并不是说这些参数对于设计不重要，而是为了说明，要获得可靠的比较数据，唯一有效的解决方案就是使用通常的方法和电路板对这些数据进行独立采集。

我在这个系列中将要提到的最后一个参数就是开关时间。这4个参数通常由下方图2中的波形定义，并且会出现在每个厂商的数据表中。它们是如此地依赖于电路板和测试条件，以至于FET行业的一位元老级人物（也是个人导师）经常把这些参数引用为“FET数据表中最没用的参数”。本来是为了指示出开关速度，而实际上，由于这些参数是FET特性值，所以它们至多只反映出驱动器强度和漏电流。TI在器件的额定电流上进行测试时将这些参数包含在内，而其它厂商只在1A I _D 上测试这些参数，其目的在于使它们的器件看起来具有更快的开关速度。更能说明器件实际开关速度的是器件的栅极电荷参数和内部栅极电阻，R _g ，这两个参数几乎不受这些技术指针差距 (specmanship) “游戏”的影响。

图 2 ：定义 MOSFET 数据表开关时间的波形。

来源：德州仪器

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