理解功率 MOSFET 的電流

通常，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁，列出了連續(xù)漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后對于許多電子工程師來說，他們對于這些電流值的定義以及在實際的設(shè)計過程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統(tǒng)的闡述這些問題,并說明了在實際的應(yīng)用過程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。

連續(xù)漏極電流
連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對于功率MOSFET來說，通常連續(xù)漏極電流ID是一個計算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時，如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：

當(dāng)功率MOSFET流過最大的連續(xù)漏極電流時，產(chǎn)生最大功耗為PD：

因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計算公式：

(1)
其中，RDS(ON)_TJ(max) 為在最大工作結(jié)溫TJ下，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻；通常，硅片允許的最大工作結(jié)溫為150℃。

需要說明的是：上述的電流是基于最大結(jié)溫的計算值；事實上，它還要受到封裝的限制。在數(shù)據(jù)表中，許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續(xù)漏極電流，而有些公司表示的是基于最大結(jié)溫的電流，那么它通常會在數(shù)據(jù)表注釋中進(jìn)行說明，并示出基于封裝限制的最大的連續(xù)漏極電流。

在公式（1）中，需要測量器件的熱阻RθJC，對于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測試的，通常是將器件安裝在一個1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對于底部有裸露銅皮的封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝，如SOT23，SO8等，圖1中的RθJC通常要改變?yōu)镽θJL，RθJL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個管腳。

圖1 等效熱阻模型

功率MOSFET有一個反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當(dāng)于一個溫度傳感器，一定的溫度對應(yīng)著一定的二極管的壓降，通常，二極管的壓降和溫度曲線需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

測試時，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過一定的電流，當(dāng)器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時，測量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。

通過二極管的壓降和通過的電流，可以計算功耗；通過二極管的壓降可以查到結(jié)溫，根據(jù)功耗、結(jié)溫和器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，可以計算得到RθJC或RθJL。根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度，還可以計算得到RθJA。

特別強(qiáng)調(diào)的是，RθJC不是結(jié)到器件的塑料外殼溫度。RθJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測量的值，不是只靠器件本身單獨散熱時的測試值。實際的應(yīng)用中，通常RθJT+RθJA>>RθJC+RθCA，器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為：RθJA≈RθJC+RθCA

熱阻RθJC確定了，就可以用公式（1）計算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，相應(yīng)的ID的值也會降低。

裸露銅皮的封裝，使用RθJC或RθJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，通?？梢栽龃笊崞?，提高器件通過電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用RθJL或RθJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實際的設(shè)計過程中，要計算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再根據(jù)功耗和熱阻來校核結(jié)溫，保證其結(jié)溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。

上述計算過程中，ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來計算的，實際的ID還要受到封裝的影響，特別是底部具有裸露銅皮的封裝。

封裝限制通常是指連接線的電流處理能力。對于額定的連接線的電流限制，常用的方法是基于連接線的熔化溫度。當(dāng)連接線的溫度大于220℃時，會導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線的電阻的10倍以上，大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220℃,因此不會存在連接線的熔化問題。連接線的熔化只有在器件損壞的時候才會發(fā)生。

有裸露銅皮器件在封裝過程中硅片通過焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會使局部的連接電阻分布不均勻，通過連接線連接硅片的管腳，在連接線和硅片結(jié)合處會產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實際的連續(xù)漏極電流ID會小于數(shù)基于結(jié)溫計算的電流。