详解功率MOSFET每一个参数

Ferrya · 发表于 2019-9-23 11:18

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详解功率MOSFET每一个参数

功率MOS管主要参数

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，一般都要考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等因素。

MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V, 其他电压，看手册）就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，因而在DS间流过电流的同时，两端还会有电压，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧，几十毫欧左右。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

MOS管驱动

MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

Mosfet参数含义说明

Vds# L" s! ?" \|: E+ b	DS击穿电压.当Vgs=0V时，MOS的DS所能承受的最大电压 \|) M" }6 c; g' k
Rds(on)/ ^' z0 A% ]$ g9 G4 F. w	DS的导通电阻.当Vgs=10V时，MOS的DS之间的电阻 " }) q) X1 ~4 r) h( b! E
Id / @% g X O% s8 y	最大DS电流.会随温度的升高而降低 % m6 w, P' ]; Y. X; m& m ]
Vgs . U, x2 X3 o' z8 m0 m# t6 i	最大GS电压.一般为：-20V~+20V 6 a/ b5 k0 `3 l
Idm- d1 w: V I3 \|' I: _	最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低，体现一个抗冲击能力，跟脉冲时间也有关系 - H( V' Q! ]% B2 y" M
Pd 7 _- B( \|* v* ~* r	最大耗散功率 O- w1 u' j7 z+ \: ~$ a4 I! `
Tj $ r8 h/ e: d8 @: _/ N9 m- N( g	最大工作结温，通常为150度和175度 4 a* F% h% g, M# n* k- Q0 V7 l. @
Tstg9 N1 l! ? K) y	最大存储温度6 z1 j3 a d e5 j0 M3 k
Iar6 Q; V& H$ y1 Q) V: s; b) h8 w% _" ?	最大存储温度& e" {3 m7 o3 N1 w4 \; v4 J
Ear . }& t/ }% r* W+ \|	雪崩电流 4 M& D) m; E8 ^9 J, f* f
Eas/ i! s1 g9 y+ X	重复雪崩击穿能量! Z4 V0 K' Q, ?
BVdss. `% c- o+ [. a1 f" P7 o# n% L	单次脉冲雪崩击穿能量, G" t0 H1 ^& t, c9 K/ I
Idss& N4 l9 Y( m; \( E8 t W% V6 @+ \|	DS击穿电压7 t4 u! e* Z, \
Igss+ s& m# U3 x. O- d6 ~7 n	饱和DS电流，uA级的电流- ^5 V# Q* F% l" E2 x8 \- ^9 q4 t
gfs 5 t+ }- _. E, j/ n4 T+ N	GS驱动电流，nA级的电流. + C" T' ]0 u, U! D7 ?% d
Qg j7 A! I. T4 M5 k7 F	跨导 1 _, ]# }3 N& a5 x0 V- u: z
Qgs & A9 O2 K1 Z8 \4 }1 c: ]	G总充电电量5 t, s, C2 y3 [
Qgd+ H" `0 @; H$ v. J2 Z	GS充电电量 . ^5 B& O: K. g# U* D$ V
Td(on) 4 A# h7 E! n! u0 ]4 U' F' n. V	GD充电电量 $ ?, x, R% H4 ^6 p1 K7 c
Tr 4 T; N4 R! L0 D: X7 s/ \|2 F/ Y5 G	导通延迟时间，从有输入电压上升到10%开始到Vds下降到其幅值90%的时间/ f, G$ G0 o9 d! u$ F8 r$ u N
Td(off)1 Z$ Y# d, Q0 G! ?# i5 \1 a2 W	上升时间，输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间7 Q0 a3 L3 a3 _! q+ U& n# j
Tf 3 K8 s' F8 C. t5 \: n2 @9 i	关断延迟时间，输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间6 j( }7 b0 g. Z9 Z: \8 f
Ciss9 }" w; Z$ R I1 ^- U) @	输入电容，Ciss=Cgd + Cgs. * B) F9 i) L6 m' _1 P
Coss ' R& }$ j$ R- ~	输出电容，Coss=Cds +Cgd. c- }2 w! o. R8 \|
Crss 7 d% [6 o7 g3 n3 z	反向传输电容，Crss=Cgc.

最大额定参数

最大额定参数，所有数值取得条件(Ta=25℃)

VDSS 最大漏-源电压

在栅源短接，漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。关于V(BR)DSS的详细描述请参见静电学特性。

VGS 最大栅源电压

VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID - 连续漏电流

ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下，管表面温度在25℃或者更高温度下，可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数：

ID中并不包含开关损耗，并且实际使用时保持管表面温度在25℃（Tcase）也很难。因此，硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC = 25℃的一半，通常在1/3～1/4。补充，如果采用热阻JA的话可以估算出特定温度下的ID，这个值更有现实意义。

IDM - 脉冲漏极电流

该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于：线的欧姆区。对于一定的栅-源电压，MOSFET导通后，存在最大的漏极电流。如图所示，对于给定的一个栅-源电压，如果工作点位于线性区域内，漏极电流的增大会提高漏-源电压，由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下，将导致器件失效。因此，在典型栅极驱动电压下，需要将额定IDM设定在区域之下。区域的分界点在Vgs和曲线相交点。

因此需要设定电流密度上限，防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线，因为在某些情况下，整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片，而是封装引线。

考虑到热效应对于IDM的限制，温度的升高依赖于脉冲宽度，脉冲间的时间间隔，散热状况，RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论，来估计脉冲电流下结温的情况。

PD - 容许沟道总功耗

容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗，可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。

TJ, TSTG - 工作温度和存储环境温度的范围

这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内，将极大地延长其工作寿命。

EAS - 单脉冲雪崩击穿能量

如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。

定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。

L是电感值，iD为电感上流过的电流峰值，其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后，将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时，即使 MOSFET处于关断状态，电感上的电流同样会流过MOSFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储，由MOSFET消散的能量类似。

MOSFET并联后，不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是：某个器件率先发生雪崩击穿，随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。

EAR - 重复雪崩能量

重复雪崩能量已经成为“工业标准”，但是在没有设定频率，其它损耗以及冷却量的情况下，该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。

额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是：不对频率做任何限制，从而器件不会过热，这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中，最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度，来观察MOSFET器件是否存在过热情况，特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。

IAR - 雪崩击穿电流

对于某些器件，雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样，雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”；其揭示了器件真正的能力。

静态电特性

V(BR)DSS：漏-源击穿电压(破坏电压)
( c, W* H$ L U" M

V(BR)DSS（有时候叫做VBDSS）是指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。" |- y- o$ T: A8 t

V(BR)DSS 是正温度系数，温度低时V(BR)DSS小于25℃时的漏源电压的最大额定值。在-50℃, V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。
, z+ `: ~1 H: O( F, `

VGS(th)，VGS(off)：阈值电压

VGS(th) 是指加的栅源电压能使漏极开始有电流，或关断MOSFET时电流消失时的电压，测试的条件（漏极电流，漏源电压，结温）也是有规格的。正常情况下，所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此，VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数，当温度上升时，MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。4 a9 @3 g1 `' s

RDS(on)：导通电阻& N3 s- r {/ D" V* F G1 t

RDS(on) 是指在特定的漏电流（通常为ID电流的一半）、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。
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IDSS：零栅压漏极电流
# {4 _: s" j$ U6 `; I. c

IDSS 是指在当栅源电压为零时，在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大，IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算，通常这部分功耗可以忽略不计。
" P9 }) [* {/ C2 Q. a5 G" H& Q( j. Y& U

IGSS -栅源漏电流4 A, l; @9 X1 E' k+ H8 f, h

IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。

动态电特性

Ciss：输入电容

将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。

Coss：输出电容

将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成，或者Coss = Cds +Cgd对于软开关的应用，Coss非常重要，因为它可能引起电路的谐振

Crss：反向传输电容

在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres =Cgd，反向传输电容也常叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数，他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容。

Qgs,Qgd,和Qg：栅电荷栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

Qgs从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小，而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中，包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在图中平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小（随着电流的降低也会降低）。平台电压也正比于阈值电压，所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。

下面这个图更加详细，应用一下：