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+ z. j: P! g( Y, P' f; d: J7 _	DS击穿电压.当Vgs=0V时，MOS的DS所能承受的最大电压 . H- H) p, C1 [2 c* v5 o5 \|
Rds(on) 8 H& Y4 u f5 s1 h) M% {5 N	DS的导通电阻.当Vgs=10V时，MOS的DS之间的电阻3 r! [4 h) V) y: O
Id% s5 b8 q. I4 J9 Q7 i) a0 c	最大DS电流.会随温度的升高而降低- @1 r/ n" J* Q$ R& O' n
Vgs6 E R8 @# v/ \|+ h( \; Z7 y$ X	最大GS电压.一般为：-20V~+20V % ^1 Y4 t7 E1 M) ?& H* `% [* p
Idm+ t& u+ p+ ]) L' `6 A! K	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 , ]3 W1 ^, m2 U8 E
Pd , Z- C- ~2 }% W3 \|1 i7 h9 I: g	最大耗散功率 % X, Z0 x1 @6 j0 T. j
Tj7 X7 l4 W- p, t3 u j z- j5 ^	最大工作结温，通常为150度和175度 # H! n" H, N) g! l: v2 R
Tstg 2 f" U v. X: r. c7 w E	最大存储温度& ^, n3 b) d9 f Y
Iar# L1 T# z. d) N- f	最大存储温度1 b4 l u4 `- V& H
Ear . S# t3 R t: z* _0 ]! S" }	雪崩电流 * }2 d. v# s! v& r$ y
Eas 9 C/ K3 t3 n" r7 d; k0 c	重复雪崩击穿能量 : h% ~( N, a4 n: C" \2 z
BVdss 7 g8 ^3 F# u" \|' i1 q0 d$ x2 O+ V# V	单次脉冲雪崩击穿能量 ! z1 y i: ?" g$ X: q( [
Idss; s$ t7 R1 ?) r5 k2 ^: S	DS击穿电压 8 Y+ R6 Z, s& ~# \4 X
Igss9 I7 ]* z9 F$ n! r	饱和DS电流，uA级的电流) j+ X X! m6 P" f7 v
gfs! p( \|; E( r# i/ N* o	GS驱动电流，nA级的电流.: \5 l+ b. l4 c( a- r
Qg' f+ z9 \|) T( l2 H	跨导 3 @! d( w% j8 l. F# @% Z; c
Qgs 7 m- V6 M0 O5 n. Z4 \|	G总充电电量7 L/ l8 v* ~: M
Qgd6 Y7 X5 P/ M% t P' q	GS充电电量 8 q8 q$ d0 c* B( P" z; r
Td(on)( z8 P/ @ ]0 H4 {5 q	GD充电电量 p, y7 Y4 t% ~; I1 C/ \
Tr/ k2 P% D* d: t# j	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" P8 r) J2 o4 _# f5 n
Td(off) ( y' x" P+ y0 e3 i! f	上升时间，输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间, G* N. \" }, ?6 y$ \|& X
Tf7 u% V: {0 d8 Z/ i3 S	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 " Z1 K: F$ X% i! h" u$ y, \|4 m3 ?4 b" u
Ciss' i9 Z. b8 O) _4 w0 ?	输入电容，Ciss=Cgd + Cgs. ' {2 S% r. M9 y3 S! v( L
Coss + D' o& n/ [: N6 C	输出电容，Coss=Cds +Cgd.0 `3 t0 f! ` k" [
Crss% w+ ]4 r4 i6 _ m	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)
' b, O8 H& h' K9 K* S8 }/ w7 Y j

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。
) J: ~8 t$ q0 _9 K

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%。: H j+ Z& i5 }/ z9 ~( e

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。 Z5 J! W* ]+ f: p/ L

RDS(on)：导通电阻4 z! [+ _- Z) W' P% Z

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。
) j L* t/ D' e! A5 q+ Y( V

IDSS：零栅压漏极电流
3 C8 W7 a; Z/ \# Z

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。
) ~; A. w7 ^! ^* [% \7 j4 m
% ]) ?! B; P5 Y

IGSS -栅源漏电流( Z% w2 ]4 W- p0 P( ]% J3 r- G

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：