MOSFET-MOSFET应用参数图文详解-MOSFET应用优势

MOSFET概述

金属-氧(yang)化(hua)物半(ban)导体场(chang)(chang)效应晶(jing)(jing)体管，简(jian)称(cheng)金氧(yang)半(ban)场(chang)(chang)效晶(jing)(jing)体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种(zhong)可以广(guang)泛(fan)使(shi)用在模拟电(dian)路(lu)(lu)与(yu)数字电(dian)路(lu)(lu)的(de)场(chang)(chang)效晶(jing)(jing)体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其(qi)“通(tong)道”（工作载流子）的(de)极性(xing)不同(tong)，可分为“N型(xing)”与(yu)“P型(xing)” 的(de)两种(zhong)类型(xing)，通(tong)常又称(cheng)为NMOSFET与(yu)PMOSFET，其(qi)他简(jian)称(cheng)上包括NMOS、PMOS等。

MOSFET应用参数理论分析

MOSFET应(ying)(ying)用(yong)参数理论着重(zhong)分(fen)析(xi)，下文(wen)会从各(ge)个方(fang)面(mian)来解析(xi)MOSFET的(de)应(ying)(ying)用(yong)参数。MOSFET是(shi)(shi)开关电源中的(de)重(zhong)要元(yuan)器件，也是(shi)(shi)比较难掌(zhang)握的(de)元(yuan)器件之一，尤其在LLC，LCC软(ruan)开关的(de)设(she)计中，对于(yu)MOSFET元(yuan)器件本(ben)身的(de)理解尤其重(zhong)要，理解透(tou)彻了，也就应(ying)(ying)用(yong)自如了。

（一）功率损耗

MOSFET的(de)功(gong)率损耗主要(yao)受限(xian)于MOSFET的(de)结(jie)温(wen)(wen)(wen)，基本原则就(jiu)是(shi)(shi)任(ren)何(he)情况下，结(jie)温(wen)(wen)(wen)不能超(chao)过规格(ge)书(shu)里定义的(de)最(zui)高温(wen)(wen)(wen)度。而结(jie)温(wen)(wen)(wen)是(shi)(shi)由环境温(wen)(wen)(wen)度和MOSFET自身的(de)功(gong)耗决定的(de)。下图是(shi)(shi)典型的(de)功(gong)率损耗与MOSFET表面结(jie)温(wen)(wen)(wen)（Case temp.）的(de)曲线图。

一般MOSFET的规格书里面(mian)(mian)会定义两个(ge)功(gong)(gong)率(lv)损(sun)耗(hao)参(can)数(shu)，一个(ge)是归(gui)算(suan)到(dao)(dao)芯片(pian)表面(mian)(mian)的功(gong)(gong)率(lv)损(sun)耗(hao)，另(ling)一个(ge)是归(gui)算(suan)到(dao)(dao)环境温度的功(gong)(gong)率(lv)损(sun)耗(hao)。这(zhei)两个(ge)参(can)数(shu)可(ke)以通过如下两个(ge)公式获(huo)得，重点强调一点，与(yu)功(gong)(gong)耗(hao)温度曲线密切相关(guan)的重要参(can)数(shu)热(re)阻，是材料和尺(chi)寸或者表面(mian)(mian)积的函数(shu)。随着结(jie)温的升高(gao)，允许的功(gong)(gong)耗(hao)会随之降(jiang)低。

根据最(zui)大结(jie)温(wen)和热阻，可(ke)以推算出MOSFET可(ke)以允许的(de)最(zui)大功耗。

归(gui)算到(dao)环境温(wen)度的(de)热(re)阻是布(bu)板(ban)，散热(re)片和散热(re)面积(ji)的(de)函数(shu)，如(ru)果散热(re)条件良好，可(ke)以极大提(ti)升MOSFET的(de)功耗水平。

（二）漏极（沟道）电流

规格书中会(hui)定义最大(da)持(chi)续(xu)(xu)漏极电(dian)流和最大(da)脉(mai)冲(chong)电(dian)流，如下图。一般规格书中最大(da)脉(mai)冲(chong)电(dian)流会(hui)定义在(zai)最大(da)持(chi)续(xu)(xu)电(dian)流的(de)4倍(bei)，并且(qie)随着(zhe)脉(mai)冲(chong)宽(kuan)度(du)的(de)增加(jia)，最大(da)脉(mai)冲(chong)电(dian)流会(hui)随之减少，主要原(yuan)因(yin)就是(shi)MOSFET的(de)温度(du)特性。

理(li)想情况下，理(li)论上最(zui)(zui)大持续电流只依赖于最(zui)(zui)大功(gong)耗，此时(shi)最(zui)(zui)大持续电流可以(yi)通过功(gong)率公(gong)式(shi)（P=I^2 R）推算出。如下式(shi)：

然而实际中(zhong)，其他(ta)条件(jian)会限制理论上计算出来的(de)最大持(chi)续(xu)电(dian)流(liu)，比(bi)如铜线(xian)直径，芯片工(gong)艺与组装水(shui)平等。比(bi)如上式中(zhong)计算的(de)最大持(chi)续(xu)电(dian)流(liu)为169A，但是(shi)考虑到(dao)其他(ta)约束条件(jian)，实际只能达到(dao)100A。所以(yi)制造商(shang)的(de)工(gong)艺水(shui)平某种程度上决(jue)定(ding)了(le)设计余量(liang)，知(zhi)名厂商(shang)往(wang)往(wang)强项就在于此。下(xia)图就是(shi)实际的(de)持(chi)续(xu)电(dian)流(liu)与结温的(de)关系曲线(xian)图，脉冲电(dian)流(liu)是(shi)由安全工(gong)作区决(jue)定(ding)的(de)。

（三）安全工作区

安全工作区可以说是(shi)MOSFET最重要(yao)的(de)数据，也是(shi)设(she)计者最重要(yao)的(de)设(she)计参考(kao)。下图是(shi)典型的(de)安全工作区图形。

由上图(tu)可知(zhi)，MOSFET的(de)SOA实际上有5条(tiao)限制线，这5条(tiao)限制线决定了SOA的(de)区(qu)域。细节如下图(tu)：

（1）Rdson限制线(xian)

Rdson限制(zhi)线是(shi)(shi)Vds和Ids的(de)(de)函数，这天直线的(de)(de)斜率就是(shi)(shi)MOSFET的(de)(de)最大Rdson（Vgs=10V, Tj=150℃），因此Rdson限制(zhi)线可以由下式给(ji)出：

由上(shang)式可知：

因为随着 Vgs降低Rdson会增加，因此(ci)对于较低的Vgs,Rdson限(xian)制线(xian)会向下移动。

因为Rdson会(hui)随着Tj的降低而(er)增大，因此对于Tj小于150C的情况，Rdson会(hui)向(xiang)上移动(dong)。

（2）封装(zhuang)限制线

当顺着(zhe)Rdson向着(zhe)更(geng)大电压和电流的(de)方(fang)向移动就会到达封(feng)(feng)装限制线。不(bu)同(tong)封(feng)(feng)装的(de)MOSFET和工艺水平(ping)决定了(le)这条(tiao)线的(de)水平(ping)。封(feng)(feng)装限制线并不(bu)随着(zhe)温度变(bian)化(hua)(hua)而变(bian)化(hua)(hua)。

（3）最大功率(lv)限制线

封装限(xian)制(zhi)线之(zhi)后就是最大功(gong)(gong)率限(xian)制(zhi)线，这(zhei)条(tiao)(tiao)线的(de)(de)规则就是MOSFET功(gong)(gong)耗(hao)(hao)产生的(de)(de)温(wen)升加(jia)上25C不能超过MOSFET的(de)(de)最大结温(wen)，比如(ru)150C。MOSFET的(de)(de)散热条(tiao)(tiao)件对这(zhei)条(tiao)(tiao)限(xian)制(zhi)线影响很(hen)大，因此与(yu)温(wen)度相关的(de)(de)变量，比如(ru)热阻，Tc和功(gong)(gong)耗(hao)(hao)也(ye)就限(xian)制(zhi)了应用(yong)。

可以(yi)得出(chu)：

Ids受(shou)限于最(zui)(zui)大结温Tj，最(zui)(zui)大允许温升是由Tj和Tc之(zhi)差决定的。

Ids受限于热阻ZthJC的(de)(de)(de)影响，脉冲(chong)情况(kuang)下的(de)(de)(de)ZthJC是由(you)脉冲(chong)长度与占空比决(jue)定的(de)(de)(de)。

（4）温(wen)度稳(wen)定(ding)（不稳(wen)定(ding)）限制线

跟随(sui)者(zhe)最大功率限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)线(xian)(xian)就(jiu)是(shi)温(wen)度(du)不稳(wen)定(ding)限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)线(xian)(xian)，这条(tiao)限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)线(xian)(xian)是(shi)设计者(zhe)比较容易忽视的(de)限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)线(xian)(xian)。要深入理解(jie)此条(tiao)限(xian)(xian)制(zhi)(zhi)线(xian)(xian)，需要理解(jie)MOSFET温(wen)度(du)不稳(wen)定(ding)的(de)条(tiao)件是(shi)什么。MOSFET温(wen)度(du)达不到稳(wen)定(ding)状(zhuang)态，意味着随(sui)着温(wen)度(du)的(de)变化，MOSFET产生的(de)功耗(hao)快于MOSFET耗(hao)散的(de)功耗(hao)。也(ye)就(jiu)是(shi)如下公式：

在这样(yang)的(de)条件下，MOSFET的(de)温度达不(bu)到稳定状(zhuang)态，进一(yi)步分(fen)析公(gong)式(shi)：

通常(chang)情况(kuang)下(xia)，Vds可以认为随着温度(du)(du)变(bian)化基(ji)本不(bu)(bu)(bu)变(bian)，Ids/T称为温度(du)(du)系数(shu)。由(you)于Vds>0, 1/ZthJC(tpulse)>0, 因此如(ru)果发(fa)生不(bu)(bu)(bu)稳定，也就(jiu)是上(shang)式要成立(li)，有(you)且只有(you)温度(du)(du)系数(shu)?Ids/?T>0才有(you)可能发(fa)生。但(dan)是怎么从MOSFET的规格书中得到(dao)这一信息那？大多(duo)数(shu)规格书中并不(bu)(bu)(bu)会(hui)直接给(ji)出(chu)这个温度(du)(du)系数(shu)的。但(dan)是可以从其他曲线中推导出(chu)来(lai)。比如(ru)规格书中Ids over Vgs的曲线（不(bu)(bu)(bu)同(tong)温度(du)(du)下(xia)）。

举(ju)例说明，如下(xia)图所示，分别画出了(le)在25C Tj和150C Tj情况下(xia)的曲(qu)线(xian)。由图中可以看出，Vgs=2.5V下(xia)，Ids随(sui)着(zhe)(zhe)温(wen)(wen)度的增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)，也就(jiu)意味着(zhe)(zhe)Vgs=2.5V下(xia)，温(wen)(wen)度系数为正。在Vgs=3.5V下(xia)，Ids随(sui)着(zhe)(zhe)温(wen)(wen)度的增(zeng)加(jia)而减小，也就(jiu)意味着(zhe)(zhe)Vgs=3.5V下(xia)，温(wen)(wen)度系数为负。25C曲(qu)线(xian)和150C曲(qu)线(xian)的交(jiao)叉(cha)点(dian)(dian)被称为零温(wen)(wen)度系数点(dian)(dian)（ZTC），很显然，只要(yao)Vgs小于ZTC交(jiao)叉(cha)点(dian)(dian)，就(jiu)会发生温(wen)(wen)度的不稳定。

温(wen)(wen)度(du)系(xi)数由正温(wen)(wen)度(du)系(xi)数变(bian)为负温(wen)(wen)度(du)系(xi)数理论上是两个参数互相竞争的(de)结果。一方(fang)面(mian)Rdson随着(zhe)温(wen)(wen)度(du)的(de)升高(gao)(gao)而变(bian)大(da)，另一方(fang)面(mian)Vth随着(zhe)温(wen)(wen)度(du)的(de)升高(gao)(gao)而减小，在温(wen)(wen)度(du)较(jiao)高(gao)(gao)的(de)时候(hou)，Rdson起主导，因此温(wen)(wen)度(du)升高(gao)(gao)，电(dian)流减小。温(wen)(wen)度(du)较(jiao)低的(de)时候(hou)，Vth起主导。温(wen)(wen)度(du)升高(gao)(gao)，电(dian)流升高(gao)(gao)。

温度的(de)(de)(de)不(bu)稳定(ding)区(qu)域发生在(zai)(zai)Vgs小于(yu)ZTC对应(ying)的(de)(de)(de)临界点，ZTC是MOSFET跨导的(de)(de)(de)函数，MOSFET的(de)(de)(de)跨导越(yue)大，ZTC对应(ying)的(de)(de)(de)Vgs也越(yue)高。而现(xian)在(zai)(zai)的(de)(de)(de)MOSFET的(de)(de)(de)工艺，尤其(qi)是CoolMos或者(zhe)DTMOS，跨导会(hui)越(yue)来越(yue)大，因此对于(yu)Vgs的(de)(de)(de)设计也至关重要。

（5）击穿电(dian)压限制线

SOA的右(you)半(ban)面就(jiu)是(shi)击(ji)穿电压限制线，也(ye)就(jiu)是(shi)BVDSS。BVDSS是(shi)Tj的函数，这一(yi)点要(yao)格外注意，尤其在低(di)温应用的时候(hou)，BVDSS会衰减(jian)，确(que)保(bao)低(di)温下，电压应力满足要(yao)求。

（四）最大瞬态热阻抗-ZthJC

热阻(zu)抗由(you)两部分构成(cheng)，一(yi)部分是热态电阻(zu)Rth，另(ling)一(yi)部分是热态电容Cth。

RthJC是从芯(xin)片(pian)的(de)结到达表面的(de)热阻，这(zhei)个路径(jing)决定了芯(xin)片(pian)本(ben)身的(de)温度（功耗、热阻、Tc）。

ZthJC同时也(ye)考虑了(le)Cth无功功率带(dai)来的温(wen)度影响(xiang)。这个(ge)参数通常(chang)用来计算由(you)瞬(shun)态功耗带(dai)来的温(wen)度累加。

（五）典型输出特性

MOSFET的典型输出特性描绘了漏(lou)极电(dian)流Id在常(chang)温下与Vds和(he)Vgs的关系。

对于MOSFET工作于开关的(de)应用，应该使得(de)MOSFET工作在“ohmic”区(qu)(qu)域(yu)，划分(fen)ohmic区(qu)(qu)域(yu)与饱和区(qu)(qu)域(yu)的(de)临界线是由(you)Vds=Vgs-Vgs(th)决定的(de)。

（六）Rds(on)

Rds(on)是(shi)漏极电流Id的(de)函数，由MOSFET的(de)典(dian)型应用曲线以(yi)(yi)及欧姆定律可(ke)以(yi)(yi)得到：

从(cong)曲线可以看出，Vgs对(dui)于Rds(on)起着至关重要的作用，对(dui)于MOSFET，一定(ding)要使(shi)得MOSFET彻底开通，不能设(she)计在欠驱动状态。一般而言，对(dui)于功(gong)率型MOSFET，10V的驱动电压(ya)是比较推荐的。

另外(wai)Rds(on)也是Tj的函数，一般可用如(ru)下(xia)公式进(jin)行计(ji)算：

a是依赖(lai)于沟道技术参数，工艺和使用(yong)技术定下(xia)来(lai)，a是常量。比如(ru)英飞(fei)凌的(de)OptiMOS功率MOSFET, a可以取值0.4。

（七）跨导

跨导反映了漏极电流Id对于Vgs变异的(de)敏感(gan)程(cheng)度。

对于应用MOSFET做自激谐振的线路(lu)里面，跨导参(can)数(shu)的大小起(qi)着重要的作(zuo)用。

（八）门极门槛电压Vth

门槛电压(ya)Vth定义在出现指定的漏极(ji)电流下的驱动(dong)电压(ya)。MOSFET的量(liang)产线上，Vth是在25C温度下，Vds=Vgs，漏极(ji)电流是uA级别下测量(liang)的。

门(men)槛(jian)电压会随着温(wen)度的升(sheng)高而减小，如下图所(suo)示：

（九）寄生电容

MOSFET的(de)寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)(rong)由三类，它(ta)们分别(bie)是门极(ji)源极(ji)电(dian)容(rong)(rong)，门极(ji)漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)容(rong)(rong)以及漏(lou)(lou)极(ji)源极(ji)电(dian)容(rong)(rong)。这(zhei)些电(dian)容(rong)(rong)不能直接测量(liang)到，它(ta)们是通(tong)过测量(liang)输入(ru)、输出和反(fan)向传输电(dian)容(rong)(rong)等(deng)参数(shu)然(ran)后(hou)计算得到。这(zhei)三类寄(ji)生(sheng)电(dian)容(rong)(rong)之间的(de)关(guan)系如下：

这三类电容是漏源电压（Vds）的函数，它们会随(sui)(sui)(sui)着(zhe)Vds的变(bian)化(hua)而变(bian)化(hua)，主要原(yuan)因(yin)在于当Vds变(bian)化(hua)时，沟道的空间(jian)大(da)小会随(sui)(sui)(sui)着(zhe)改变(bian)，因(yin)此寄(ji)生(sheng)电容也就随(sui)(sui)(sui)之(zhi)改变(bian)。

（十）反向二极管特性

MOSFET都(dou)有一个寄生的(de)反向二(er)极管，这个二(er)极管的(de)相关(guan)参(can)数会有MOSFET的(de)规格书给(ji)出，如下：

1、二极管正向持(chi)续电流(liu)(liu)：最大(da)允许的(de)正向持(chi)续电流(liu)(liu)，定义在25C，通常这个电流(liu)(liu)等于MOSFET的(de)最大(da)持(chi)续电流(liu)(liu)。

2、二极管脉冲(chong)(chong)电(dian)流(liu)：最(zui)大(da)允许的最(zui)大(da)脉冲(chong)(chong)电(dian)流(liu)，通常(chang)这个电(dian)流(liu)等于MOSFET的最(zui)大(da)脉冲(chong)(chong)电(dian)流(liu)。

3、二极(ji)(ji)管正向压(ya)降：二极(ji)(ji)管导通时，在规定的(de)IF下测到的(de)MOSFET源(yuan)漏极(ji)(ji)间压(ya)降。

4、反向恢复时间(jian)：反向恢复电荷(he)完全移除所需要的时间(jian)。

5、反向恢复(fu)电(dian)(dian)(dian)荷(he)：二(er)(er)极(ji)管(guan)导通期间存储(chu)在二(er)(er)极(ji)管(guan)中(zhong)的电(dian)(dian)(dian)荷(he)。二(er)(er)极(ji)管(guan)完全(quan)恢复(fu)到(dao)阻断状态之(zhi)前(qian)需要移除这些(xie)存储(chu)的电(dian)(dian)(dian)荷(he)。开关是(shi)电(dian)(dian)(dian)流变化的速(su)率(lv)越大（di/dt），存储(chu)的反向恢复(fu)电(dian)(dian)(dian)荷(he)就越多。

其中反向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)复时间trr是设计LCC，LLC谐振线路拓(tuo)扑(pu)中需(xu)要(yao)重点看的参数之一(yi)，原(yuan)因在(zai)(zai)于基(ji)本所有(you)的LCC和LLC谐振线路，在(zai)(zai)启动过(guo)(guo)程中，前几(ji)个(ge)周期都(dou)会(hui)存在(zai)(zai)二极(ji)管反向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)复过(guo)(guo)程中另一(yi)个(ge)MOSFET已经开通，这个(ge)时候就(jiu)(jiu)会(hui)通过(guo)(guo)很大(da)的di/dt，如果寄生的反向(xiang)(xiang)二极(ji)管能(neng)力不够，MOSFET就(jiu)(jiu)会(hui)击穿而(er)失效。

另外(wai)寄生二极管的(de)正(zheng)向电流(liu)If是源漏电压Vsd的(de)函数，如下：

（十一）Avalanche特性

脉冲avalanche电流大(da)小(xiao)Iav与(yu)脉冲avalanche时间tav的(de)关系如下图：

Avalanche 电流于avalache 时(shi)间是由MOSFET的(de)最大结温以及avalanche能量限定的(de)。Avalanche 的(de)脉冲宽度长，允许的(de)avalanche 的(de)电流就越小。

（十二）源漏击穿电压

源漏击(ji)穿电压(ya)是Tj的函数，这个特性(xing)往(wang)往(wang)被设(she)计者忽略(lve)，尤其(qi)产品设(she)计是宽(kuan)温的应用(yong)情况，需要考虑MOSFET低温下击(ji)穿电压(ya)的derating。

（十三）典型的门极驱动

以下是典型的门极驱(qu)动波形(xing)：

（十四）开关特性

下表列示了典(dian)型的MOSFET规格书中定义的开关时间：

具(ju)体开关(guan)时间的定义如(ru)下图：

MOSFET的应用优势

1、场(chang)效应晶(jing)(jing)体管是(shi)电压控制元件(jian)(jian)，而(er)双(shuang)极结型晶(jing)(jing)体管是(shi)电流控制元件(jian)(jian)。在(zai)(zai)只允(yun)许(xu)从(cong)取(qu)较少电流的情况下(xia)，应选(xuan)(xuan)用(yong)场(chang)效应管；而(er)在(zai)(zai)信(xin)号电压较低，又允(yun)许(xu)从(cong)信(xin)号源(yuan)取(qu)较多电流的条件(jian)(jian)下(xia)，应选(xuan)(xuan)用(yong)双(shuang)极晶(jing)(jing)体管。

2、有(you)些场效应管(guan)(guan)的源极和漏极可(ke)以(yi)互换使用，栅压(ya)也可(ke)正可(ke)负(fu)，灵活(huo)性比(bi)双极晶体管(guan)(guan)好。

3、场效应管是利用(yong)多数载流子(zi)导(dao)电，所以称之为单极(ji)型器件(jian)，而双(shuang)极(ji)结型晶体(ti)管是即有多数载流子(zi)，也利用(yong)少数载流子(zi)导(dao)电。因此被称之为双(shuang)极(ji)型器件(jian)。

4、场(chang)效(xiao)应管能(neng)在(zai)很小电(dian)流和很低电(dian)压的条件下工(gong)(gong)作(zuo)，而且它(ta)的制(zhi)造工(gong)(gong)艺可(ke)以很方(fang)便地把很多场(chang)效(xiao)应管集(ji)成(cheng)在(zai)一块硅片(pian)上(shang)，因此场(chang)效(xiao)应管在(zai)大(da)规模(mo)集(ji)成(cheng)电(dian)路中得到了广泛的应用。

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