深入解讀MOSFET關(guān)鍵特性及指標(biāo)

MOSFET是電子系統(tǒng)中的重要部件，需要深入了解它的關(guān)鍵特性及指標(biāo)才能做出正確選擇。這些關(guān)鍵指標(biāo)中，以靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性更為重要，本文主要討論靜態(tài)特性。

本文選取Nexperia 最新推出的BUK7Y1R7-40H，以官方手冊(cè)中的數(shù)據(jù)和圖表，作為解讀依據(jù)。BUK7Y1R7-40H于2017年9月推出，基于最新工藝-Trench9制作，符合AEC-Q101認(rèn)證?？梢詮V泛應(yīng)用于12V汽車(chē)系統(tǒng)，如EPS，E-Pump等。

靜態(tài)特性表

VBR(DSS) （漏極 - 源極擊穿電壓）- 表示在整個(gè)MOSFET溫度范圍內(nèi)，保證器件在關(guān)斷狀態(tài)下阻隔的漏極和源極之間的最大電壓。溫度范圍為-55°C至+175°C。在電壓和溫度范圍內(nèi)，BUK7Y1R7-40H漏極和源極之間的電流保證低250μA。若器件溫度低于+25°C，則該范圍VBR(DSS)小于等于40V；若器件溫度為+25°C至+175°C，則該范圍VBR(DSS)小于等于40V。

關(guān)斷狀態(tài)下溫度對(duì)特性的影響有兩方面。漏電流隨溫度升高而增大，可使器件導(dǎo)通。與漏電流增大一樣，擊穿電壓也隨溫度升高而上升。

VGS(th)（柵極 - 源極閾值電壓）對(duì)決定MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)而言，非常重要。VGS(th)在VDS=VGS 時(shí)定義，有時(shí)候也會(huì)針對(duì)固定的VDS值（例如10 V）進(jìn)行引述。

需要注意，當(dāng)柵極和漏極短接在一起時(shí)，針對(duì)特定電流的閾值電壓定義與教科書(shū)中的示例有所不同。教科書(shū)中的參數(shù)描述了MOSFET的物理狀態(tài)變化，與MOSFET芯片尺寸無(wú)關(guān)。但是，數(shù)據(jù)手冊(cè)中使用的參數(shù)針對(duì)指定電流值，與芯片尺寸有關(guān)，因?yàn)殡娏髋c芯片面積成比例。

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的閾值電壓，以最適合常規(guī)測(cè)量的方式定義，而不是以實(shí)際器件的通常使用方式為準(zhǔn)。下圖中提供的圖形支持該參數(shù)。

圖1

圖2

第一張圖顯示了典型和限值器件在額定溫度范圍內(nèi)的閾值電壓變化。所有MOSFET都保證在兩條線之間存在閾值電壓。

因此，就25°C的BUK7Y1R7-40H而言，若VDS和VGS同時(shí)低于2V，則所有同型號(hào)器件承受的電流均低于1mA。若VDS和VGS均大于4V，則所有器件承受的電流都超過(guò)1mA。175°C時(shí)，器件下限下降至1V，上限下降至2.5V。下限值通常更為重要，因?yàn)樗鼪Q定器件何時(shí)應(yīng)保證關(guān)斷，以及相關(guān)應(yīng)用需要具有多少噪聲裕量。

第二張圖顯示了器件如何在此閾值電壓附近導(dǎo)通。對(duì)于BUK7Y1R7-40H而言，若柵極電壓增加不到1 V，則電流增加100,000倍。示例表示漏極 - 源極電壓固定為5V的情況。

IDSS（漏極漏電流）保證器件在其關(guān)斷狀態(tài)下的最大額定漏極 - 源極電壓時(shí)可傳輸?shù)淖畲舐╇娏?。?wù)必要注意高溫時(shí)的IDSS高出多少，這是最壞的情況。

IGSS（柵極漏電流）保證最大泄漏電流通過(guò)MOSFET的柵極。計(jì)算保持器件導(dǎo)通所需的電流時(shí)，IGSS是非常重要的參數(shù)。由于該電流是通過(guò)絕緣體的漏電流，因此與IDSS不同的是，它與溫度無(wú)關(guān)。

RDS(on)（漏極 - 源極導(dǎo)通電阻）是最重要的參數(shù)之一。之前的參數(shù)確保器件關(guān)斷時(shí)如何工作、器件如何關(guān)斷以及預(yù)期有多少漏電流。當(dāng)在電池應(yīng)用中存在問(wèn)題時(shí)，這些因素都很重要。

RDS(on) 是MOSFET導(dǎo)通時(shí)，其閉合開(kāi)關(guān)的性能量度。它是決定含有MOSFET的電路功耗和效率的關(guān)鍵因素。導(dǎo)通電阻 RDS(on) × ID2表示MOSFET在完全導(dǎo)通情況下的功耗。功率MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)下可承受幾十甚至幾百安培的電流。

MOSFET中消耗的功率使芯片溫度上升至超過(guò)底座溫度。此外，當(dāng)MOSFET芯片溫度升高時(shí)，其RDS(on) 也成比例地上升。建議的最大結(jié)點(diǎn)溫度為175°C（針對(duì)所有Nexperia封裝的 MOSFET 而言）。

以 BUK7Y1R7-40H 數(shù)據(jù)手冊(cè)為例：

結(jié)點(diǎn)（芯片）和底座之間每瓦的 Rth(j-mb) 溫度上升值為0.51 K/W (0.51°C/W)。

溫度上升150 K（Tmb = 25°C，Tj = 175°C）時(shí)，最大功耗

Pmax = 150/0.51 = 294 W(與手冊(cè)一致)。

芯片溫度(Tj)為175°C時(shí)的最大RDS(on) = 3.7mΩ。

MOSFET的RDS(on)取決于柵極-源極電壓，并且存在一個(gè)較低的數(shù)值，低于該值則該參數(shù)急劇上升。針對(duì)不同的柵極驅(qū)動(dòng)器， RDS(on) 隨溫度上升的比例也不同。有關(guān)電阻如何隨溫度而上升的典型曲線，如下圖：

圖3

結(jié)語(yǔ)

功率MOSFET廣泛應(yīng)用于工業(yè)、消費(fèi)和汽車(chē)領(lǐng)域。特別地，在剎車(chē)系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)和引擎管理電路中，MOSFET的地位越來(lái)越重要。了解MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)和電氣性能，對(duì)于工程師后期的設(shè)計(jì)，能夠起到事半功倍的效果。