如何讀懂MOSFET的規(guī)格書datasheet

作為電子工程師，相信大家都對(duì)MOSFET不會(huì)陌生。工程師們要選用某個(gè)型號(hào)的 MOSFET，首先要看的就是規(guī)格書-datasheet，拿到 MOSFET的規(guī)格-datasheet 時(shí)，我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？我們就以英飛凌 IPP60R190C6 datasheet為例詳細(xì)探討一下。

1、VDS

Datasheet 上電氣參數(shù)第一個(gè)就是 V(BR)DSS，即 DS 擊穿電壓，也就是我們關(guān)心的 MOSFET 的耐壓

圖中V(BR)DSS的最小值是600V，是不是表示設(shè)計(jì)中只要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態(tài)?

相信很多人的答案是“是!”，曾經(jīng)我也是這么認(rèn)為的，但這個(gè)正確答案是“不是!”

這個(gè)參數(shù)是有條件的，這個(gè)最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃時(shí)，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。

從下圖datasheet上V(BR)DSS與Tj的關(guān)系中可以清楚地看出，MOSFET V(BR)DSS與溫度是正相關(guān)的。要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V(BR)DSS值<560V，這時(shí)候600V就已經(jīng)超過MOSFET耐壓了。?

所以在MOSFET使用中，我們都會(huì)保留一定的VDS的電壓裕量，其中一點(diǎn)就是為了考慮到低溫時(shí)MOSFET V(BR)DSS值變小了，另外一點(diǎn)是為了應(yīng)對(duì)各種惡例條件下開關(guān)機(jī)的VDS電壓尖峰。

2、ID

相信大家都知道 MOSFET 最初都是按xA, xV 的命名方式（比如 20N60~），慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds(on)和電壓的命名方式(比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~).

其實(shí)從電流到 Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就表明ID 和 Rds(on)是有著直接聯(lián)系的，那么它們之間有什么關(guān)系呢？

在說明 ID 和 Rds(on)的關(guān)系之前，先得跟大家聊聊封裝和結(jié)溫：

1). 封裝：影響我們選擇 MOSFET 的條件有哪些？

a) 功耗跟散熱性能 -->比如：體積大的封裝相比體積小的封裝能夠承受更大的損耗；鐵封比塑封的散熱性能更好.

b) 對(duì)于高壓 MOSFET 還得考慮爬電距離 -->高壓的 MOSFET 就沒有 SO-8 封裝的，因?yàn)镚/D/S 間的爬電距離不夠

c) 對(duì)于低壓 MOSFET 還得考慮寄生參數(shù) -->引腳會(huì)帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，寄生電阻會(huì)影響到 Rds(on)的值

d) 空間/體積 -->對(duì)于一些對(duì)體積要求嚴(yán)格的電源，貼片 MOSFET 就顯得有優(yōu)勢了

2). 結(jié)溫：MOSFET 的最高結(jié)溫 Tj_max=150℃，超過此溫度會(huì)損壞 MOSFET，實(shí)際使用中建議不要超過 70%~90% Tj_max.

回到正題，MOSFET ID和Rds(on)的關(guān)系:

(1) 封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關(guān)系

(2) MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗

(1), (2)聯(lián)立，計(jì)算得到ID和Rds_on的關(guān)系

3、Rds（on）

從下面MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds(on)增大，Tj與Rds(on)是正相關(guān)，MOSFET的這一特性使得MOSFET易于并聯(lián)使用。

4、Vgs(th)

相信這個(gè)值大家都熟悉，但是Vgs(th)是負(fù)溫度系數(shù)有多少人知道，你知道嗎？(下圖是IPP075N15N3 datasheet中Vgs與穩(wěn)定的關(guān)系)。相信會(huì)有很多人沒有注意到Vgs(th)的這一特性，這也是正常的，因?yàn)楦邏篗OSFET的datasheet中壓根就沒有這個(gè)圖，這一點(diǎn)可能是因?yàn)楦邏篗OSFET的Vgs(th)值一般都是2.5V以上，高溫時(shí)也就到2V左右。但對(duì)于低壓MOSFET就有點(diǎn)不一樣了，很多低壓MOSFET的Vgs(th)在常溫時(shí)就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs(th)是1.2V~2V，高溫時(shí)最低都要接近0.8V了，這樣只要在Gate有一個(gè)很小的尖峰就可能誤觸發(fā)MOSFET開啟從而引起整個(gè)電源系統(tǒng)異常。

所以，低壓MOSFET使用時(shí)一定要留意Vgs(th)的這個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的特性！

5、Ciss, Coss, Crss

MOSFET 帶寄生電容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

Ciss, Coss, Crss 的容值都是隨著 VDS 電壓改變而改變的。

在 LLC 拓?fù)渲?，減小死區(qū)時(shí)間可以提高效率，但過小的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn) ZVS。因此選擇在VDS 在低壓時(shí) Coss 較小的 MOSFET 可以讓 LLC 更加容易實(shí)現(xiàn) ZVS，死區(qū)時(shí)間也可以適當(dāng)減小，從而提升效率。

6、 Qg, Qgs, Qgd

從下圖中能夠看出：

1. Qg并不等于Qgs+Qgd??！

2. Vgs高，Qg大，而Qg大，驅(qū)動(dòng)損耗大

7、SOA

SOA曲線可以分為4個(gè)部分：

1). Rds_on的限制，如下圖紅色線部分

當(dāng)VDS=1V時(shí)，Y軸對(duì)應(yīng)的ID為2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時(shí)，Rds(on)約為0.5R.當(dāng)VDS=10V時(shí)，Y軸對(duì)應(yīng)的ID為20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時(shí)，Rds(on)約為0.5R.所以，此部分曲線中，SOA表現(xiàn)為Tj_max時(shí)RDS(on)的限制.

2).最大脈沖電流限制，如下圖紅線部分

此部分為MOSFET的最大脈沖電流限制，此最大電流對(duì)應(yīng)ID_pulse.

3). VBR(DSS)擊穿電壓限制，如下圖紅線部分

此部分為MOSFET VBR(DSS)的限制，最大電壓不能超過VBR(DSS) ==>所以在雪崩時(shí)，SOA圖是沒有參考意義的。

4). 器件所能夠承受的最大的損耗限制

這里以圖中紅線的那條線（10us）來分析。

上圖中，1處電壓、電流分別為：88V, 59A，2處電壓、電流分別為：600V, 8.5A。

MOSFET要工作在SOA，即要讓MOSFET的結(jié)溫不超過Tj_max(150℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC為瞬態(tài)熱阻。

SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時(shí)間是10us即10^-5s，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2

從以上得到的參數(shù)可以計(jì)算出：

1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃

2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時(shí)的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)剛好就是在Tc=25或者80℃，這時(shí)候就得想辦法把25℃或者80℃時(shí)的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時(shí)的曲線。

把25℃時(shí)的SOA轉(zhuǎn)換成100℃時(shí)的曲線：

1). 在25℃的SOA上任意取一點(diǎn)，讀出VDS, ID,時(shí)間等信息

如上圖，1處電壓、電流分別為：88V, 59A, tp=10us

計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192 （a）

PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -->此圖對(duì)應(yīng)為Tc=25℃ （b）

（a），（b）聯(lián)立，可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024

2). 對(duì)于同樣的tp的SOA線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024.

3). 上面圖中點(diǎn)1處的電壓為88V，Tc=100℃時(shí)，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083

從而可以算出此時(shí)最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A

4). 同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃時(shí)的最大電流

5). 把電壓電流的坐標(biāo)在圖上標(biāo)出來，可以得到10us的SOA線，同樣的方法可以得到其他tp對(duì)應(yīng)的SOA（當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100℃時(shí)的其他限制條件）

這里的重點(diǎn)就是ZthJC，瞬態(tài)熱阻在同樣tp和D的條件下是一樣的，再結(jié)合功耗，得到不同電壓條件下的電流

另外一個(gè)問題，ZthJC/瞬態(tài)熱阻計(jì)算：

當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時(shí)：（其中，SthJC(t)是single pulse對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)熱阻）

2.當(dāng)tp<10us時(shí)

8、Avalanche

下圖中，EAS：單次雪崩能量，EAR：重復(fù)雪崩能量，IAR：重復(fù)雪崩電流

雪崩時(shí)VDS,ID典型波形與展開后的圖像如下，可以發(fā)現(xiàn)MOSFET雪崩時(shí)，波形上一個(gè)顯著的特點(diǎn)是VDS電壓被鉗位，即圖中VDS有一個(gè)明顯的平臺(tái)

MOSFET雪崩的產(chǎn)生：

在MOSFET的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上是存在一個(gè)寄生三極管的，如上圖。在MOSFET的設(shè)計(jì)中也會(huì)采取各種措施去讓寄生三極管不起作用，如減小P+Body中的橫向電阻RB。正常情況下，流過RB的電流很小，寄生三極管的VBE約等于0，三極管是處在關(guān)閉狀態(tài)。雪崩發(fā)生時(shí)，如果流過RB的雪崩電流達(dá)到一定的大小，VBE大于三極管VBE的開啟電壓，寄生三極管開通，這樣將會(huì)引起MOSFET不能正常關(guān)斷，從而損壞MOSFET。

因此，MOSFET的雪崩能力主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1. 最大雪崩電流 ==>IAR

2. MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升

1）單次雪崩能量計(jì)算：

上圖是典型的單次雪崩VDS,ID波形，對(duì)應(yīng)的單次雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS, L為提供雪崩能量的電感

雪崩能量的典型測試電路如下：

計(jì)算出來EAS后，對(duì)比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（當(dāng)然前提是雪崩電流

2）重復(fù)雪崩能量 EAR：

上圖為典型的重復(fù)雪崩波形，對(duì)應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS.

計(jì)算出來EAR后，對(duì)比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（此處默認(rèn)重復(fù)雪崩電流

9、體內(nèi)二極管參數(shù)

VSD，二極管正向壓降 ==>這個(gè)參數(shù)不是關(guān)注的重點(diǎn),trr，二極管反向回復(fù)時(shí)間 ==>越小越好，Qrr，反向恢復(fù)電荷 ==>Qrr大小關(guān)系到MOSFET的開關(guān)損耗，越小越好，trr越小此值也會(huì)小

10、不同拓?fù)?MOSFET 的選擇

針對(duì)不同的拓?fù)?，?duì)MOSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢？怎么選擇適合的MOSFET？

1). 反激：

反激由于變壓器漏感的存在，MOSFET會(huì)存在一定的尖峰，因此反激選擇MOSFET時(shí)，我們要注意耐壓值。通常對(duì)于全電壓的輸入，MOSFET耐壓(BVDSS)得選600V以上，一般會(huì)選擇650V。

若是QR反激，為了提高效率，我們會(huì)讓MOSFET開通時(shí)的谷底電壓盡量低，這時(shí)需要取稍大一些的反射電壓，這樣MOSFET的耐壓值得選更高，通常會(huì)選擇800V MOSFET。

2). PFC、雙管正激等硬開關(guān)：

a) 對(duì)于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓?fù)?，MOSFET沒有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐壓可以選500V, 600V。

b) 硬開關(guān)拓?fù)銶OSFET存在較大的開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFET。而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度，選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗

3). LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)洌?/p>

LLC、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)涞能涢_關(guān)是通過諧振，在MOSFET開通前讓MOSFET的體二極管提前開通實(shí)現(xiàn)的。由于二極管的提前導(dǎo)通，在MOSFET開通時(shí)二極管的電流存在一個(gè)反向恢復(fù)，若反向恢復(fù)的時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致上下管出現(xiàn)直通，損壞MOSFET。因此在這一類拓?fù)渲?，我們需要選擇trr，Qrr小，也就是選擇帶有快恢復(fù)特性的體二極管的MOSFET。

4). 防反接，Oring MOSFET

這類用法的作用是將MOSFET作為開關(guān)，正常工作時(shí)管子一直導(dǎo)通，工作中不會(huì)出現(xiàn)較高的頻率開關(guān)，因此管子基本上無開關(guān)損耗，損耗主要是導(dǎo)通損耗。選擇這類MOS時(shí)，我們應(yīng)該主要考慮Rds(on)，而不去關(guān)心其他參數(shù)。

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