如何定義MOSFET數(shù)據(jù)表

在看到MOSFET數(shù)據(jù)表時(shí)，你一定要知道你在找什么。雖然特定的參數(shù)很顯眼，也一目了然（BVDS、RDS(ON)、柵極電荷），其它的一些參數(shù)會(huì)十分的含糊不清、模棱兩可（IDA、SOA曲線），而其它的某些參數(shù)自始至終就毫無用處（比如說：開關(guān)時(shí)間）。在這個(gè)即將開始的博文系列中，我們將試著破解FET數(shù)據(jù)表，這樣的話，讀者就能夠很輕松地找到和辨別那些對(duì)于他們的應(yīng)用來說，是最常見的數(shù)據(jù)，而不會(huì)被不同的生產(chǎn)商為了使他們的產(chǎn)品看起來更吸引人而玩兒的文字游戲所糊弄。

1 ? UIS/雪崩額定值

自從20世紀(jì)80年代中期在MOSFET 數(shù)據(jù)表中廣泛使用的以來，無鉗位電感開關(guān) (UIS) 額定值就已經(jīng)被證明是一個(gè)非常有用的參數(shù)。雖然不建議在實(shí)際應(yīng)用中使用FET的重復(fù)雪崩，工程師們已經(jīng)學(xué)會(huì)了用這個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)在制定新器件開發(fā)方案時(shí)避免那些有可能導(dǎo)致問題的脆弱器件。在溫度范圍內(nèi)具有特別薄弱UIS能力或者發(fā)生嚴(yán)重降級(jí)的器件（25°C至125°C之間大于30%）應(yīng)當(dāng)被禁止，因?yàn)檫@些器件會(huì)更容易受到故障的影響。設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該對(duì)制造商在額定值上搗鬼，夸大他們的FET雪崩能力而感到厭煩。 ? UIS測(cè)試由圖1中所示的測(cè)試電路執(zhí)行。在FET關(guān)閉時(shí)，其上施加了一個(gè)電源電壓，然后檢查器件上是否有泄露。在FET接通時(shí)，電感器電流穩(wěn)定增加。當(dāng)達(dá)到所需的電流時(shí)，F(xiàn)ET被關(guān)閉，F(xiàn)ET上的Ldi/dt電壓擺幅在MOSFET擊穿電壓之上，從而激活了其內(nèi)在的寄生雙極晶體管，并在FET上出現(xiàn)有效的雪崩效應(yīng)。這項(xiàng)測(cè)試重復(fù)進(jìn)行，電流逐漸增加，直到開始的泄漏測(cè)試失敗，表明器件已被損壞。

圖1—UIS測(cè)試電路

方程式E = ? LI2?計(jì)算的是FET的雪崩能量。這是測(cè)試的開始。通過改變電感器尺寸，你能夠更改受測(cè)器件上施加的應(yīng)力。可以預(yù)見的是，電感器越大，損壞FET所需的UIS電流越低。然而，這個(gè)較小的電流不會(huì)被方程式（用于計(jì)算雪崩能量）中電感器增加的尺寸抵消，這樣的話，盡管電流減少了，這個(gè)值實(shí)際上是增加了。表1中說明了這個(gè)關(guān)系，其中列出了從測(cè)試中的TI CSD18502KCS 60V NexFET 功率MOSFET器件中搜集的數(shù)據(jù)。

表1—雪崩能量?(EAS)?和電流?(UIS)?與電感器之間的關(guān)系

在電路中使用最小電感器時(shí) (0.1mH)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力最大、電流最高的測(cè)試。TI使用0.1mH電感器來測(cè)試所有即將投入量產(chǎn)的器件，并且在FET數(shù)據(jù)表內(nèi)給出與之相關(guān)的能量值。然而，由于沒有針對(duì)這個(gè)值的硬性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，為了使他們的器件看起來好像具有較高的雪崩能量能力，某些廠商將在他們的UIS測(cè)試中使用較大的電感器。因此，設(shè)計(jì)人員在處理雪崩額定值時(shí)要小心，并且一定要在比較不同供貨商的FET之前詢問UIS測(cè)試條件。

2 ? 安全工作區(qū) (SOA) 圖 作為一名功率MOSFET的產(chǎn)品營(yíng)銷工程師，在FET數(shù)據(jù)表的所有內(nèi)容中，除了電流額定值之外，我被問到的最多的問題可能就是安全工作區(qū) (SOA) 曲線了。這是一片需要某些技巧和手段才能完全了解的地帶，這是因?yàn)槊總€(gè)供應(yīng)商都有各自生成SOA曲線的方法，并且在提供有用信息方面，這個(gè)曲線所具有的價(jià)值與閱讀數(shù)據(jù)表的人對(duì)于讀到的信息的理解能力直接相關(guān)。雖然FET也許在熱插拔應(yīng)用中能夠發(fā)揮其最大價(jià)值（在這些應(yīng)用中，F(xiàn)ET特意地在其線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行），不過，我們看到越來越多的電機(jī)控制、甚至是電源用戶將這個(gè)圖用作總體穩(wěn)健耐用性，以及FET處理大量功率能力的指示器。 ? 如圖1所示，可以用5個(gè)完全不同的限制條件來繪制整個(gè)SOA，每個(gè)限制條件規(guī)定了整個(gè)曲線的形狀，TI的100V D2PAK CSD19536KTT的SOA與產(chǎn)品數(shù)據(jù)表內(nèi)的曲線看起來一樣?？梢杂靡阎腇ET參數(shù)來輕松繪制出其中四條曲線—RDS(on) 限值、電流限值、最大功率限值，以及BVDSS限值。只有散熱不穩(wěn)定性區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)問題。很明顯，這個(gè)部分的SOA曲線偏離了恒定功率線，這條線必須是電流與電壓雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)內(nèi)斜率為-1的曲線，這個(gè)偏離表示會(huì)出現(xiàn)了熱失控，并且斜坡越陡，說明FET越有可能在更高的擊穿電壓時(shí)進(jìn)入這個(gè)散熱失控情況。當(dāng)FET供貨商試圖計(jì)算這個(gè)值時(shí)，往往傾向于夸大這個(gè)區(qū)域內(nèi)的FET電流能力或者在這一點(diǎn)上有所保留，這是因?yàn)樵诓粚?duì)這條線進(jìn)行測(cè)量的情況下是根本無法知曉這條線的斜率的。
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圖1：CSD19536KTT的數(shù)據(jù)表SOA

TI擁有市面上其中一款最強(qiáng)大的SOA測(cè)試器；這個(gè)測(cè)試器能夠在低至100μs的時(shí)間內(nèi)，在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，讓數(shù)千瓦的功率流經(jīng)一個(gè)FET。為了產(chǎn)生數(shù)據(jù)表曲線，在一定的電壓范圍內(nèi)，在每個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，F(xiàn)ET被一次又一次地推到斷線點(diǎn)，從中獲得的數(shù)據(jù)如下面圖2中所示。每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)被強(qiáng)制出現(xiàn)故障的CSD19536KTT器件，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，就可以確定熱失控線的斜率和高度。

圖2：?CSD19536KTT測(cè)得的故障點(diǎn)

作為我們SOA曲線可靠性的最終保證，根據(jù)我們看到的部件到部件偏差，我們?cè)谌我馕恢蒙蠈⒚恳粭l測(cè)得的熱失控線線的額定值降低30%-40%。這樣的話，當(dāng)你把我們FET的數(shù)據(jù)表與我們競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品進(jìn)行比較時(shí)，需要注意的一點(diǎn)是，他們也許不像我們一樣守規(guī)矩。我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到某些供應(yīng)商的真面目。我們也看到其它一些供應(yīng)商發(fā)布了真實(shí)的故障點(diǎn)，并且將其宣稱為一定能夠?qū)崿F(xiàn)的SOA。在這一方面沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而事實(shí)是，在沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表明部件實(shí)際上在何處出現(xiàn)故障的情況下，單單從數(shù)據(jù)表SOA曲線上是無法知曉那個(gè)部件更加可靠。

在“看懂MOSFET數(shù)據(jù)表”的第3部分中，我將講解出現(xiàn)在所有MOSFET數(shù)據(jù)表首頁上的這些讓人頭疼的電流限值，演示得到這些限值的方法，并說明它們對(duì)于設(shè)計(jì)人員的實(shí)際用途。

3 ? 連續(xù)電流額定值 我們來談一談MOSFET電流額定值，以及它們是如何變得不真實(shí)的。好，也許一個(gè)比較好的解釋就是這些額定值不是用確定RDS(ON)?和柵極電荷等參數(shù)的方法測(cè)量出來的，而是被計(jì)算出來的，并且有很多種不同的方法可以獲得這些值。 ? 例如，大多數(shù)部件中都有FET“封裝電流額定值”，這個(gè)值同與周圍環(huán)境無關(guān)，并且是硅芯片與塑料封裝之間內(nèi)在連接線的一個(gè)函數(shù)。超過這個(gè)值不會(huì)立即對(duì)FET造成損壞，而在這個(gè)限值以上長(zhǎng)時(shí)間使用將開始減少器件的使用壽命。高于這個(gè)限值的故障機(jī)制包括但不限于線路融合、成型復(fù)合材料的熱降解、以及電遷移應(yīng)力所導(dǎo)致的問題。 ? 然后是我們考慮的“芯片限值”，通常通過將外殼溫度保持在25?C來指定?；旧?，這個(gè)條件假定了一個(gè)理想的散熱片，只使用結(jié)至外殼熱阻來計(jì)算器件能夠處理的最大功率（在下面的方程式1和2中顯示）。換句話說，假定RθCase-to-Ambient?為零，這在應(yīng)用中并不是一個(gè)很實(shí)用的條件，這樣的話，最好將這個(gè)電流額定值視為表示器件RDS(ON)?和熱阻抗的品質(zhì)因數(shù)。

(1),???

(2),

下面的圖表1a和1b分別給出了CSD18536KCS和CSD18535KCS 60V TO-220 MOSFET數(shù)據(jù)表首頁上出現(xiàn)的絕對(duì)最大額定值表。這兩個(gè)器件的封裝額定值均為200A，不過，由于CSD18536KCS具有更低的RDS(ON)?和熱阻抗，它具有349A的更高芯片限值，這表明，在處理同樣數(shù)量的連續(xù)電流時(shí)，它的運(yùn)行溫度應(yīng)該比CSD18535KCS的工作溫度低。不過，我們還是不建議將這兩款器件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在電流超過200A的條件下。從FET的角度說，這就意味著任一超過100ms的電流脈沖；超過這個(gè)值的電流脈沖基本上就可以被視為DC脈沖。

圖表1a：CSD18535KCS絕對(duì)最大額定值表?

圖表1b：CSD18536KCS絕對(duì)最大額定值表

某些QFN數(shù)據(jù)表還包括一個(gè)第3連續(xù)電流，計(jì)算方法與芯片限值的計(jì)算方法完全一樣，不過，如表格下方的腳注所示，它是器件測(cè)得的RθJA?的函數(shù)。使用RθJA?（對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SON5x6封裝來說，典型值為40?C/W）來計(jì)算最大功率的方法假定QFN在應(yīng)用中只處理3W左右的功率。因此，對(duì)于未暴露于任何散熱片或使用其它冷卻機(jī)制的QFN器件來說，這個(gè)計(jì)算方法給出了更加實(shí)際的DC電流限值。

在“看懂MOSFET數(shù)據(jù)表”的第4部分，我將給出對(duì)于脈沖電流額定值，IDM，的相似分析，并且給出這個(gè)值與數(shù)據(jù)表中其它參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，其中包括SOA。

4 ? 脈沖電流額定值

下面將談?wù)撁}沖電流額定值、它們的計(jì)算方法以及在FET產(chǎn)品說明書的安全工作區(qū)圖中是如何描繪它們的。

產(chǎn)品說明書首頁上出現(xiàn)的脈沖電流額定值（IDM）與連續(xù)電流額定值很相似，因?yàn)樗且粋€(gè)理論上的計(jì)算值。然而，與連續(xù)電流額定值不同的是，IDM只是作為熱約束條件（從正在標(biāo)準(zhǔn)化的RθJC到給定的脈沖持續(xù)時(shí)間以及“絕對(duì)最大額定值”表的腳注中明確規(guī)定的占空比）的函數(shù)被計(jì)算出來的。 以CSD17579Q5A 30V N通道MOSFET為例。該部件的產(chǎn)品說明書規(guī)定了105A的最大脈沖電流額定值，基本條件是脈沖持續(xù)時(shí)間小于或等于100μs，占空比小于或等于1％。為確定用于計(jì)算IDM的瞬態(tài)熱阻抗，我們將參閱下面圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)化熱阻抗曲線。如果我們?cè)诿}沖持續(xù)時(shí)間為100μs時(shí)看1％的占空比（棕色）線，得到的標(biāo)準(zhǔn)化因數(shù)為0.12，我們將用它來計(jì)算最大功率，并由此計(jì)算出該器件在這樣的脈沖持續(xù)時(shí)間和占空比條件下可處理的電流。計(jì)算這個(gè)值要用0.12乘以最大直流（DC）RθJC（4.3?C/W），得出的瞬態(tài)ZθJC為0.52?C/W。

圖1：CSD17579Q5A標(biāo)準(zhǔn)化瞬態(tài)熱阻抗曲線

使用這個(gè)熱阻抗值并計(jì)算最大電流（就像我們計(jì)算其對(duì)應(yīng)的連續(xù)電流那樣），我們將計(jì)算出的熱限制電流為119A。但是請(qǐng)稍等！產(chǎn)品說明書規(guī)定的是105A！那怎么辦呢？如果您瞧瞧圖2在下面所展示的該器件的安全工作區(qū)（SOA），可以看出100μs的線在達(dá)到119A前實(shí)際上碰到了RDS（ON）的極限值。這個(gè)交點(diǎn)出現(xiàn)在105A處。所以，在這樣的情況下，我們將追溯性地減小絕對(duì)最大脈沖電流，因?yàn)樵撈骷腞DS（ON）的物理極限值將限制該器件，使其不能達(dá)到熱極限值。

圖2：CSD17579Q5A安全工作區(qū)

我們?yōu)槌霈F(xiàn)在SOA的每個(gè)較大脈沖計(jì)算出電流極限值（前提條件是它們不會(huì)先碰到RDS（ON）的極限值），這個(gè)值就是那些曲線的上限。

因?yàn)榻^對(duì)最大電流完全是理論上的，所以在發(fā)布該部件之前，我們將嘗試獲得一些硬數(shù)據(jù)來進(jìn)一步使自己確信：該部件有能力處理這么大的功率。遺憾的是，我們最好的電路板和測(cè)試儀也只能使器件的最大脈沖電流達(dá)到400A，這就是那個(gè)值能一直為我們發(fā)布的所有器件充當(dāng)人為設(shè)置的上限的原因。一些供應(yīng)商規(guī)定了類似的上限，然而其它供應(yīng)商并不以這樣一種方式限制自己。雖然您永遠(yuǎn)不會(huì)看到TI給FET定超過400A的IDM，（無論是在首頁還是在SOA），但下面的表1卻向您展示了在這個(gè)CSD17570Q5B（一種具有極低RDS（ON）（最大值僅為0.69mΩ）和熱阻抗（0.8?C/W）的部件）的例子中，理論上的脈沖電流額定值可以高得多么離譜。這用實(shí)例說明了如果不同的供應(yīng)商不認(rèn)真對(duì)待功能參數(shù)（如脈沖持續(xù)時(shí)間）并忽略測(cè)試該器件時(shí)的實(shí)際極限值，它們?nèi)绾文茉诳涫玖溯^高的額定值后不被發(fā)覺。

表1：計(jì)算的CSD17570Q5B脈沖電流

在“了解MOSFET產(chǎn)品說明書”的第五部分，筆者將為脈沖電流額定值（IDM）提供類似的分析，并展示這與產(chǎn)品說明書中的其它參數(shù)（包括SOA）有何聯(lián)系。

5 ? 開關(guān)參數(shù) 最后，我們來到了這個(gè)試圖破解功率MOSFET數(shù)據(jù)表的“看懂MOSFET數(shù)據(jù)表”博客系列的收尾部分。在這個(gè)博客中，我們將花時(shí)間看一看MOSFET數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)的某些其它混合開關(guān)參數(shù)，并且檢查它們對(duì)于總體器件性能的相關(guān)性（或者與器件性能沒什么關(guān)系）。 ? 另一方面，諸如FET固有體二極管的輸出電荷 (QOSS) 和反向恢復(fù)電荷(Qrr) 等開關(guān)參數(shù)是造成很多高頻電源應(yīng)用中大部分FET開關(guān)損耗的關(guān)鍵因素。不好意思，我說的這些聽起來有點(diǎn)兒前言不搭后語，不過設(shè)計(jì)人員在根據(jù)這些參數(shù)比較不同的FET時(shí)要小心，這是因?yàn)闇y(cè)試條件決定一切，事情往往是如此！ ? 圖1顯示的是，在TI CSD18531Q5A 60V MOSFET的兩個(gè)不同di/dt速率上測(cè)得的輸出電荷和反向恢復(fù)電荷，這代表了一個(gè)事物的兩個(gè)方面。在左側(cè)，Qrr在360A/μs時(shí)測(cè)得的值為85nC，在右邊，2000A/μs時(shí)測(cè)得的值為146nC。雖然沒有測(cè)量部件的di/dt行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了得到極地的Qrr，我們的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手將測(cè)量時(shí)的di/dt速率調(diào)低至100 A/us。
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圖1：360A/μs（左側(cè)）和2000A/μs（右側(cè)）時(shí)，在CSD18531Q5A上測(cè)得的Qrr和QOSS值。

Qrr?甚至可以對(duì)測(cè)試執(zhí)行性的二極管正向電流 (If) 具有更強(qiáng)的依賴關(guān)系。而進(jìn)一步使事情復(fù)雜化的原因在于，某些廠商未將QOSS?作為一個(gè)單獨(dú)參數(shù)包含在內(nèi)，而是只將這個(gè)參數(shù)吸收到Qrr?的技術(shù)規(guī)格當(dāng)中。除了數(shù)據(jù)表中列出的測(cè)試條件，事實(shí)上，其它諸如電路板寄生電感和主觀測(cè)量方法等考慮也使得比較單獨(dú)廠商數(shù)據(jù)表中的這些參數(shù)變得不太可能。這并不是說這些參數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)不重要，而是為了說明，要獲得可靠的比較數(shù)據(jù)，唯一有效的解決方案就是使用通常的方法和電路板對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立采集。

我在這個(gè)系列中將要提到的最后一個(gè)參數(shù)就是開關(guān)時(shí)間。這4個(gè)參數(shù)通常由下方圖2中的波形定義，并且會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)廠商的數(shù)據(jù)表中。它們是如此地依賴于電路板和測(cè)試條件，以至于FET行業(yè)的一位元老級(jí)人物（也是個(gè)人導(dǎo)師）經(jīng)常把這些參數(shù)引用為“FET數(shù)據(jù)表中最沒用的參數(shù)”。本來是為了指示出開關(guān)速度，而實(shí)際上，由于這些參數(shù)是FET特性值，所以它們至多只反映出驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度和漏電流。TI在器件的額定電流上進(jìn)行測(cè)試時(shí)將這些參數(shù)包含在內(nèi)，而其它廠商只在1A ID?上測(cè)試這些參數(shù)，其目的在于使它們的器件看起來具有更快的開關(guān)速度。更能說明器件實(shí)際開關(guān)速度的是器件的柵極電荷參數(shù)和內(nèi)部柵極電阻，Rg，這兩個(gè)參數(shù)幾乎不受這些技術(shù)指針差距 (specmanship) “游戲”的影響。

圖2：定義MOSFET數(shù)據(jù)表開關(guān)時(shí)間的波形。

審核編輯：黃飛

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