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MOSFET特性参数的理解


功率MOS场效应晶体管技术讲座

功率MOSFET特性参数的理解
NEC电子股份有限公司 营业事业本部市场部 PMD技术支援部

1. 绝对最大额定值
任何情况下都不允许超过的最大值
绝对最大额定值 (TA=25 ℃)

额定电压 额定电流 额定功率 额定温度 额定雪崩

/>項目 Drain to Source Voltage Gate to Source Voltage Drain Current (DC) Drain Current (Pulse) Total Power Dissipation Channel Temperature Storage Temperature Single Avalanche Current Single Avalanche Energy

略号
V DSS V GSS
D(DC) I D(pl ) I use

条件
V GS =0 V DS =0 T c =25 ℃ PW ≦ 10 μ s,Du ty≦ 1% T c =25 ℃

定格
9 00 ± 30 ± 6.0 ± 12 100 150 -55 ~ + 150

単位
V V A A W ℃ ℃ A mJ

PT T ch T stg
AS I

StatigT r n

ch =25 ℃

6.0 42.3

E AS

R G =25 Ω ,V GS =20V → 0

1.1 额定电压
VDSS : 漏极(D)与源极(S)之间所能施加的最大电压值。
?$ G

栅极 源极之间短路
S

VGSS : 栅极(G)与源极(S)之间所能施加的最大电压值。
漏极 源极之间短路
D G D

- ?6 ?'?3
S

G

S

1.2 额定电流
ID(DC) : 漏极允许通过的最大直流电流值 此值受到导通阻抗、封装和内部连线等的制约 TC=25℃ (假定封装紧贴无限大散热板) ID(Pulse) : 漏极允许通过的最大脉冲电流值 此值还受到脉冲宽度和占空比等的制约

?$ =

?T?N ?O
?4

+ :MOSFET的 额定电流

ton ?4

D : 占空比 Ton : 导通时间 T : 周期

- :寄生二极管 的额定电流

1.3 额定功耗
PT : 芯片所能承受的最大功耗。其测定条件有以下两种 TC=25 ℃ 的条件…… 紧接无限大放热板,封装 C : Case 的简写 背面温度为25 ℃ (图1) TA=25 ℃ 的条件…… 直立安装不接散热板 A : Ambient 的简写 环境温度为25 ℃ (图2)
封装 散热板 印刷电路板

环境温度 T A=25℃

封装背面温度T =25! c

(图1)

(图2)

1.4 额定温度
Tch : MOSFET的沟道的上限温度 一般 Tch ≦150℃ (例) Tstg : MOSFET器件本身或者使用了MOSFET的产品, 其保存温度范围为 最低 -55 ℃,最高150 ℃ (例)

1.5 热 阻
表示热传导的难易程度。热阻值越小,散热性能越好。如果使用手册 上没有注明热阻值时,可根据额定功耗PT及Tch将其算出。 通常所说的热阻是指 (1) 沟道/封装之间的热阻抗 Rth(ch-C)

Tch(max) - Tc Rth(ch-c) = PT (Tc=25-deg C)
(2)沟道/周围环境之间的热阻抗 Rth(ch-A)

Tch(max) - TA Rth(ch-A) = PT (TA=25-deg C)

沟道/封装之间的热阻 (有散热板的条件)
器件 内部芯片

散热板

沟道/封装 之间的热阻 R th(ch-?# )

封装背面

热阻Rth 的计算
例1 :计算2SK3740沟道/封装之间的热阻 2SK3740的额定功耗PT (Tc= 25℃)

PT = 100 (W)
因此

Tch(max) - Tc Rth(ch-c) = PT (Tc=25-deg C) 25 150
=

100

=

1.25 (℃/W)

例2 :计算2SK3740沟道/环境之间的热阻 2SK3740的额定功耗PT (Ta= 25℃)

PT = 1.5
因此

(W)

Tch(max) - TA Rth(ch-A) = PT (TA=25-deg C)
=

150 1.5

25

=

83.3 (℃/W)

沟道温度Tch的计算
利用热阻抗计算沟道温度
有散热板的条件下 Tch = Tc + Rth(ch-c) x Pt
沟道/封装之间的温度差 封装背面中央部或漏极的根部温度

直立安装无散热板的条件下 Tch = T?! + Rth(ch-?!) x Pt
沟道/环境之间的温度差 环境温度

例 :计算2SK3740在以下条件下的沟道温度Tch
条件:有散热板,且封装背面温度Tc=50 ℃, 现在功耗 Pt = 2W (额定功耗PT(Tc=25 ℃) =100W) 计算如下 Tch = Tc + Rth(ch-c) 0? Pt

50 (℃)
Rth(ch-c)= Tch =
C

2
Tch(max)-TC PT(T =25℃)

(W) =

1.25
(℃/W)

52.5 (℃)

1.5 安全动作区SOA
SOA = Safe Operating Area 或 AOS = Area of Safe Operating

正偏压时的安全动作区
ID

安全动作区由5个限制区构成 A线 … 导通阻抗限制 B线 … 额定电流限制 C线 … 额定功耗限制 D线 … 额定电压限制 E线 … 二次击穿限制 ※
※有些的产品有二次击穿, 有些产品无二次击穿。

B线 C线

A线 E线 D线

VDS

1.7 抗雪崩能力保证
对马达、线圈等电感性负载进行开关动作时, 关断的瞬间会有感生电动势产生。
1:开路 2:接通 3:关断
感生电动势

?6 ?$ VSW VSW

?6 ?$ VSW

VD

开关两端的电压:Vsw

SW两端施加的电压
1 2 3

电路比较
(1) 以往产品(无抗雪崩保证)的电路必须有吸收电路 以保证瞬间峰值电压不会超过VDSS。 吸收电路 吸收电路
VD:电源电压 VD:电源电压
漏极/源极之间电压波形

VDSS额定值

VDS(Park)

ID

ID

漏极电流波形

吸收电路
VDS VDS

导通期间 关断期间

稳压二极管

(2) 有抗雪崩能力保证的产品,MOSFET 自身可以 吸收瞬间峰值电压而无需附加吸收电路
VD:电源电压
MOSFET的 耐压 (BVDSS)

漏/源间电压波形
VDSS额定线

ID

漏极电流波形

VDS

导通期间 关断期间

VGS=0V
?=SW OFF)

VDS VDSS

实际应用例
额定电压VDSS为600V的MOSFET的雪崩波形(开关电源) 雪崩发生
600V

VDS

ID

开启波形

关断波形

抗雪崩能力保证定义
单发雪崩电流 IAS : 下图中的峰值漏极电流 单发雪崩能量EAS : 一次性雪崩期间所能承受的能量, 以Tch ≦ 150℃为极限 连续雪崩能量EAR : 所能承受的反复出现的雪崩能量, 以Tch ≦ 150℃为极限

抗雪崩能力测试电路
DUT
RG=25? L

BVDSS IAS VDD ID VDS

RG
VGS=20→0V Single

50?

VDD

Starting Tch

怎样选择MOSFET的额定值
器件的额定 电压值 应高于实际最大电压值20% 电流值 应高于实际最大电流值20% 功耗值 应高于实际最大功耗的50% 而实际沟道温度不应超过-125 ℃
上述为推荐值。实际设计时应考虑最坏的条件。如沟道温度 Tch从50 ℃提高到100 ℃时,推算故障率降提高20倍。

2. 电特性

2.1 漏电流
D

IDSS : 漏极与源极之间的漏电流。
VGS = 0时,D与S之间加VDSS

G S

VDSS

D

IGSS : 栅极与源极之间的漏电流。
VDS = 0时,G与S之间加VGSS

G VGSS S

2.2 栅极阈值电压 VGS(off ) 或 VGS(th )
MOSFET的VDS = 10V,ID = 1mA时的栅极电压VGS

D G

S

阈值电压的温度特性
MOSFET具有负的温度特性,而且变化率比双极型晶体管大。 如 : 双极型晶体管约为-2.2mV/℃,MOSFET约为-5mV /℃
VDS=10V ID=1mA

在使用温度范围内栅 极的噪音必须控制在 阈值以下,如果超过 阈值电压,则误动作 就会发生.

2.3 正向传到系数 yfs
单位VGS的变化所引起的漏极电流ID的变化。单位为S。

相当与双极型晶体管的hFE

例如 : 3S时,VGS变化1V,那么漏极电流会增加3A。
在作为负载开关用时,若是电容性负载,则进入ON状态时,因为给电容 充电需要过渡电流,如果yfs太小,有时会出现开关不动作的现象。

2.4 漏极/源极间的导通阻抗 RDS(on )
MOSFET处于导通状态下的阻抗。导通阻抗越大,则开启 状态时的损耗越大。因此,要尽量减小MOSFET的导通阻抗。

导通时的功耗 2 P = I ?V S( n = I ?R S( n T D D o) D D o)

功耗与电流的平方成比例。越是大电流的产品,就越是需要具有低的导通阻抗。

导通阻抗的各种相关性
温度特性
D R A I T O S O U C E O N TA T E R ES IT A N E v N R -S S C s. C H N ELT EM P ER A T U E A N R
5. 0
3. 5

漏电流特性
D RAI TO SO U E O N N RC -STATE R ES I STAN E v D RA I C U EN C s. N RR T
P le us d

R D S ( n-D ritoS o r O n ta o) a n uce -S te R e stace hm si n -O

4. 0

3. 0

R d o ) ritoS o r s( n-D a n uce O n ta R e stace -S te si n -Ω

2. 5

3. 0

I D =3A I D =6A

V S=10V G
2. 0

2. 0

1. 5

1. 0

1. 0

V S=20V G

V S=10V G
0. 0 -50 0 50 100 150

0. 5

0. 0 0. 1 1 10 100

Tch-C han l m ea r-℃ n eTe prtue

I-D ri C urn D a n r t-A e

正温度特性=随温度上升而增加

2.5 内部容量
MOSFET各端子间的容量

2SK3113(600V/2A)的例

容量值越小,QG越小,开关速度越快,开关损耗就越小。 开关电源、DC/DC变换器等应用,要求较小的QG值。

2.6 电荷量
QG : 栅极的总电荷量,VGS=10V时, 达到导通状态所需的电荷量 QGS : 栅极/源极间所要电荷量 QGD : 栅极/漏极间所需电荷量

2SK3918(25V/48A)的例

电荷量 Q=CXV, 而开关时间 t = Q/I 电荷的容量越大,所需开关时间 t 就越大,开关损失也越大。

QGS

QGD QG

2.7 开关时间
开关时间测定电路
栅极电压 波形
VS G 9% 0 0 1% 0 VS G

DUT RL RG=25? RG

I D 9% 0 I D 9% 0

VDD

漏极电流 波形

1% 0 0 t tof r df ( )

1% 0

to) dn ( t o n

t f

?

?6 G?3
?

tf o f

Td(on):开始时间延迟,tr : 上升时间, Td(off):关断延迟时间,tf : 下降时间

? =1? s Duty Cycle"f 1%

2.8 内部二极管
· 栅极/源极电压VGS=0时,内部二极管的正向电压-电压特性。 · 栅极/源极间加正向偏压时,即MOSFET导通状态时,与导通 阻抗的特性一致。

寄生二极管

栅极

源极 氧化膜

寄生二极管

漏极

2.9 内部二极管的反向恢复时间trr 、反向恢复电荷量Qrr
二极管可视为一种电容。积累的电荷Qrr完全放掉需要时间为trr。 另外,由于反向恢复时,处于短路状态,损耗很大。因此内部寄生 二极管的电容特性使MOSFET开关频率受到限制。 寄生二极管通过电流IF后, 让电压反向以进行测试。 Qrr

正向电流

Trr

Trr的测试电路

测试波形

谢谢各位

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