大電流MOSFET是電源設計的必需品

在當今的汽車和工業(yè)電子產(chǎn)品中，低壓 MOSFET （《100 V） 對大功率的需求不斷增加。電機驅(qū)動等應用現(xiàn)在需要以千瓦為單位的功率輸出。除了當前的模塊空間限制外，這意味著處理更多功率的需求正在傳遞給組件，尤其是 MOSFET。這需要仔細考慮設計要求并了解電路設計中的最大額定值，以便從功率 MOSFET 獲得最佳性能并在所需的工作壽命期間保持器件的可靠性。

在 Nexperia 的 Power Live 活動中，Nexperia 的應用工程師 Stein Hans Nesbakk 和國際產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Steven Waterhouse 指出需要正確評估漏極電流以及可能使用保護電路來補償高電流事件，從而提供高度可靠的產(chǎn)品。功率 MOSFET 數(shù)據(jù)表中指出的漏極電流 （ ID ） 限制是此類需要管理非常高電流的高功率應用中最重要的參數(shù)之一。

I D等級

MOSFET 具有三個端子：柵極、源極和漏極。電流可以通過標記為 I G、 I S和 I D的任何這些端子流動。工程師和電氣設計人員必須徹底了解基本功能、限制和環(huán)境條件，才能為應用選擇合適的 MOSFET。

I D是 MOSFET 在 T mb = 25°C 時完全增強并在最高結(jié)溫下死亡時MOSFET 可以維持的最大連續(xù)漏源電流。正如演講者所指出的，它是一個單一參數(shù)，可捕獲熱性能、溫度額定值、R DS（on）、硅片電阻和封裝電阻。MOSFET 可以達到的最大電流主要來自 MOSFET 的最大功率容限。計算最大持續(xù)電流時，必須使用最大穩(wěn)態(tài)功率。如果我們定義 T mb = 25°C，T j（max） = 175°C，并且 R th（j-mb） = （0.4 K/W max），我們可以計算出最大功率如下：

計算此最大功率容限所需的關(guān)鍵參數(shù)是芯片與安裝基座之間的熱阻 Z th（j-mb）（圖 1）以及芯片與安裝基座之間的熱阻 R th（j-mb）。R th（j-mb）是熱阻，指的是達到穩(wěn)態(tài)條件（也稱為直流條件）的熱響應。

圖 1：MOSFET 內(nèi)部和外部的熱阻

R th（j-mb）是從結(jié)到安裝底座的熱阻。圖 2 顯示了從結(jié)到安裝基座的瞬態(tài)熱阻與脈沖持續(xù)時間的函數(shù)關(guān)系?？梢钥闯?，MOSFET 熱響應類似于 RC 網(wǎng)絡電響應。其熱阻取決于所傳遞的脈沖類型（單次脈沖或具有不同占空比的重復 PWM 脈沖），對于超過 10 ms 的脈沖，曲線在 100 ms 后開始平穩(wěn)并變平，如圖所示。據(jù)說此時 MOSFET 已達到熱穩(wěn)定性。因此，從 MOSFET 的角度來看，它處于熱直流狀態(tài)。在這種情況下，熱阻會在 0.1 秒內(nèi)穩(wěn)定下來，盡管 Nexperia 聲稱所有 MOSFET 都在實驗室中測試了超過 30 秒。?。所有 MOSFET 必須在此溫度以下工作。P （max）可在數(shù)據(jù)表的限值表中找到。使用功率公式，我們可以計算漏極電流：

R DS（on）是 MOSFET 的導通電阻?？梢钥紤]T j（max）處的 R DS（on）來計算I D max 。圖 3 中的圖表可用于計算特定溫度要求的電流。

圖 2：從結(jié)到安裝底座的瞬態(tài)熱阻與脈沖持續(xù)時間的關(guān)系

圖 3：作為結(jié)溫函數(shù)的歸一化漏源導通電阻因子

在確定了理論最大 I D之后，必須通過測試和驗證來驗證該值。在最終確定和保護數(shù)據(jù)表中提供的 I D （max）時，將強調(diào)和考慮其他限制因素。在 T j = 175°C 時，I D （max） = 495 A 被認為是 PSMN70-40SSH 的理論容量。當結(jié)溫達到 T j（max）時，I D（max）測量值在實驗室中得到驗證。電流將受到 PCB 的熱設計和工作溫度的限制。

因為我們使用的是器件的最大容量，而應用取決于安裝技術(shù)，所以應用的最大電流可以根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的 I D （max）額定值計算得出。在應用中，Nexperia 不建議超過 T j（max）。

將 MOSFET 的最高結(jié)溫Tj限制在175°C 是由 MOSFET 需要滿足的可靠性要求驅(qū)動的。因此，175°C 是 Nexperia 用于符合行業(yè)標準的 MOSFET 鑒定和壽命測試的溫度限制。所有汽車功率 MOSFET 都必須滿足 175°C 結(jié)溫規(guī)范。

圖 4：電池隔離和電機驅(qū)動應用

I D電流最大能力在高系統(tǒng)電流出現(xiàn)和系統(tǒng)反應之間變得至關(guān)重要。在電子保險絲/電池隔離中，這是檢測到過流情況和做出反應之間的時間；在電機驅(qū)動應用中，轉(zhuǎn)子鎖定和控制系統(tǒng)反應之間的時間變得至關(guān)重要（圖 4）。

LFPAK 封裝

MOSFET 特性（例如鍵合線和銅夾、電流擴散和封裝熱）都會對 I D（max）產(chǎn)生影響。MOSFET 能夠抵抗非常高的工作電流、出色的性能、穩(wěn)健性和可靠性是重要的特性。對于當今空間受限的大功率汽車應用，LFPAK 封裝具有出色的性能和高耐用性，與 D2PAK 等老式金屬電纜封裝相比，其占位面積更小，功率密度更高。

增加的最大電流容量和良好的電流擴散、更好的 R DS（on）、低源極電感和降低的熱阻都是用于鍵合線封裝 （R th ） 的 LFPAK 銅夾技術(shù)的優(yōu)勢。銅夾和焊片用于連接 LFPAK 器件中的結(jié)構(gòu)，從而降低電阻和熱阻，以及有效的電流擴散和散熱。此外，銅夾的熱質(zhì)量可最大限度地減少熱點的發(fā)展，從而獲得更好的雪崩能量 （E AS ） 和線性模式 （SOA） 性能。

圖 5：LFPAK 封裝

審核編輯：郭婷