大電流MOSFET是電源設(shè)計的必需品

在當(dāng)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(jī)驅(qū)動等應(yīng)用現(xiàn)在需要以千瓦為單位的功率輸出。除了當(dāng)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(xì)考慮設(shè)計要求并了解電路設(shè)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(yīng)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(hù)電路來補(bǔ)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(yīng)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(biāo)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(shè)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(yīng)用選擇合適的 MOSFET。

I D是 MOSFET 在 T mb = 25°C 時完全增強(qiáng)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(dá)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(dá)到穩(wěn)態(tài)條件（也稱為直流條件）的熱響應(yīng)。

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。可以看出，MOSFET 熱響應(yīng)類似于 RC 網(wǎng)絡(luò)電響應(yīng)。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(fù) 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(dá)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)通電阻。可以考慮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(dǎo)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(yàn)證來驗(yàn)證該值。在最終確定和保護(hù)數(shù)據(jù)表中提供的 I D （max）時，將強(qiáng)調(diào)和考慮其他限制因素。在 T j = 175°C 時，I D （max） = 495 A 被認(rèn)為是 PSMN70-40SSH 的理論容量。當(dāng)結(jié)溫達(dá)到 T j（max）時，I D（max）測量值在實(shí)驗(yàn)室中得到驗(yàn)證。電流將受到 PCB 的熱設(shè)計和工作溫度的限制。

因?yàn)槲覀兪褂玫氖瞧骷淖畲笕萘?，而?yīng)用取決于安裝技術(shù)，所以應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)驅(qū)動應(yīng)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(yīng)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(yīng)之間的時間；在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子鎖定和控制系統(tǒng)反應(yīng)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(kuò)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(dāng)今空間受限的大功率汽車應(yīng)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(kuò)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(kuò)散和散熱。此外，銅夾的熱質(zhì)量可最大限度地減少熱點(diǎn)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