教你看懂MOSFET數(shù)據(jù)表

在看到MOSFET數(shù)據(jù)表時，你一定要知道你在找什么。雖然特定的參數(shù)很顯眼，也一目了然(BVDS、RDS(ON)、柵極電荷)，其它的一些參數(shù)會十分的含糊不清、模棱兩可(IDA、SOA曲線)，而其它的某些參數(shù)自始至終就毫無用處(比如說：開關(guān)時間)。本文將試著破 解FET數(shù)據(jù)表，這樣的話，讀者就能夠很輕松地找到和辨別那些對于他們的應(yīng)用來說，是最常見的數(shù)據(jù)，而不會被不同的生產(chǎn)商為了使他們的產(chǎn)品看起來更吸引人而玩兒的文字游戲所糊弄。

UIS/雪崩額定值

自從20世紀(jì)80年代中期在MOSFET 數(shù)據(jù)表中廣泛使用的以來，無鉗位電感開關(guān) (UIS) 額定值就已經(jīng)被證明是一個非常有用的參數(shù)。雖然不建議在實際應(yīng)用中使用FET的重復(fù)雪崩，工程師們已經(jīng)學(xué)會了用這個度量標(biāo)準(zhǔn)在制定新器件開發(fā)方案時避免那些有可能導(dǎo)致問題的脆弱器件。在溫度范圍內(nèi)具有特別薄弱UIS能力或者發(fā)生嚴(yán)重降級的器件(25°C至125°C之間大于30%)應(yīng)當(dāng)被禁止，因為這些器件會更容易受到故障的影響。設(shè)計人員也應(yīng)該對制造商在額定值上搗鬼，夸大他們的FET雪崩能力而感到厭煩。

UIS測試由圖1中所示的測試電路執(zhí)行。在FET關(guān)閉時，其上施加了一個電源電壓，然后檢查器件上是否有泄露。在FET接通時，電感器電流穩(wěn)定增加。當(dāng)達(dá)到所需的電流時，F(xiàn)ET被關(guān)閉，F(xiàn)ET上的Ldi/dt電壓擺幅在MOSFET擊穿電壓之上，從而激活了其內(nèi)在的寄生雙極晶體管，并在FET上出現(xiàn)有效的雪崩效應(yīng)。這項測試重復(fù)進(jìn)行，電流逐漸增加，直到開始的泄漏測試失敗，表明器件已被損壞。

圖1：UIS測試電路

方程式E = 0.5LI2 計算的是FET的雪崩能量。這是測試的開始。通過改變電感器尺寸，你能夠更改受測器件上施加的應(yīng)力?？梢灶A(yù)見的是，電感器越大，損壞FET所需的UIS電流越低。然而，這個較小的電流不會被方程式(用于計算雪崩能量)中電感器增加的尺寸抵消，這樣的話，盡管電流減少了，這個值實際上是增加了。表1中說明了這個關(guān)系，其中列出了從測試中的TI CSD18502KCS 60V NexFET 功率MOSFET器件中搜集的數(shù)據(jù)。

表1：雪崩能量 (EAS) 和電流 (UIS) 與電感器之間的關(guān)系

在電路中使用最小電感器時 (0.1mH)，會出現(xiàn)應(yīng)力最大、電流最高的測試。TI使用0.1mH電感器來測試所有即將投入量產(chǎn)的器件，并且在FET數(shù)據(jù)表內(nèi)給出與之相關(guān)的能量值。然而，由于沒有針對這個值的硬性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，為了使他們的器件看起來好像具有較高的雪崩能量能力，某些廠商將在他們的UIS測試中使用較大的電感器。因此，設(shè)計人員在處理雪崩額定值時要小心，并且一定要在比較不同供貨商的FET之前詢問UIS測試條件。

安全工作區(qū) (SOA) 圖

安全工作區(qū) (SOA) 曲線是一片需要某些技巧和手段才能完全了解的地帶，這是因為每個供應(yīng)商都有各自生成SOA曲線的方法，并且在提供有用信息方面，這個曲線所具有的價值與閱讀數(shù)據(jù)表的人對于讀到的信息的理解能力直接相關(guān)。雖然FET也許在熱插拔應(yīng)用中能夠發(fā)揮其最大價值(在這些應(yīng)用中，F(xiàn)ET特意地在其線性區(qū)域內(nèi)運行)，不過，我們看到越來越多的電機(jī)控制、甚至是電源用戶將這個圖用作總體穩(wěn)健耐用性，以及FET處理大量功率能力的指示器。

如圖2所示，可以用5個完全不同的限制條件來繪制整個SOA，每個限制條件規(guī)定了整個曲線的形狀，TI的100V D2PAK CSD19536KTT的SOA與產(chǎn)品數(shù)據(jù)表內(nèi)的曲線看起來一樣。可以用已知的FET參數(shù)來輕松繪制出其中四條曲線—RDS(on) 限值、電流限值、最大功率限值，以及BVDSS限值。只有散熱不穩(wěn)定性區(qū)域出現(xiàn)了一個問題。很明顯，這個部分的SOA曲線偏離了恒定功率線，這條線必須是電流與電壓雙對數(shù)坐標(biāo)內(nèi)斜率為-1的曲線，這個偏離表示會出現(xiàn)了熱失控，并且斜坡越陡，說明FET越有可能在更高的擊穿電壓時進(jìn)入這個散熱失控情況。當(dāng)FET供貨商試圖計算這個值時，往往傾向于夸大這個區(qū)域內(nèi)的FET電流能力或者在這一點上有所保留，這是因為在不對這條線進(jìn)行測量的情況下是根本無法知曉這條線的斜率的。

圖2：CSD19536KTT的數(shù)據(jù)表SOA

為了產(chǎn)生數(shù)據(jù)表曲線，在一定的電壓范圍內(nèi)，在每個脈沖持續(xù)時間內(nèi)，F(xiàn)ET被一次又一次地推到斷線點，從中獲得的數(shù)據(jù)如下面圖3中所示。每個點代表一個被強(qiáng)制出現(xiàn)故障的CSD19536KTT器件，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，就可以確定熱失控線的斜率和高度。

圖3： CSD19536KTT測得的故障點

作為我們SOA曲線可靠性的最終保證，根據(jù)我們看到的部件到部件偏差，我們在任意位置上將每一條測得的熱失控線線的額定值降低30%-40%。這樣的話，當(dāng)你把我們FET的數(shù)據(jù)表與我們競爭對手的產(chǎn)品進(jìn)行比較時，需要注意的一點是，他們也許不像我們一樣守規(guī)矩。我們已經(jīng)認(rèn)識到某些供應(yīng)商的真面目。我們也看到其它一些供應(yīng)商發(fā)布了真實的故障點，并且將其宣稱為一定能夠?qū)崿F(xiàn)的SOA。在這一方面沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而事實是，在沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表明部件實際上在何處出現(xiàn)故障的情況下，單單從數(shù)據(jù)表SOA曲線上是無法知曉那個部件更加可靠。

連續(xù)電流額定值

下文我們來談一談MOSFET電流額定值，以及它們是如何變得不真實的。好，也許一個比較好的解釋就是這些額定值不是用確定RDS(ON) 和柵極電荷等參數(shù)的方法測量出來的，而是被計算出來的，并且有很多種不同的方法可以獲得這些值。

例如，大多數(shù)部件中都有FET“封裝電流額定值”，這個值同與周圍環(huán)境無關(guān)，并且是硅芯片與塑料封裝之間內(nèi)在連接線的一個函數(shù)。超過這個值不會立即對FET造成損壞，而在這個限值以上長時間使用將開始減少器件的使用壽命。高于這個限值的故障機(jī)制包括但不限于線路融合、成型復(fù)合材料的熱降解、以及電遷移應(yīng)力所導(dǎo)致的問題。

然后是我們考慮的“芯片限值”，通常通過將外殼溫度保持在25?C來指定。基本上，這個條件假定了一個理想的散熱片，只使用結(jié)至外殼熱阻來計算器件能夠處理的最大功率(在下面的方程式1和2中顯示)。換句話說，假定RθCase-to-Ambient 為零，這在應(yīng)用中并不是一個很實用的條件，這樣的話，最好將這個電流額定值視為表示器件RDS(ON) 和熱阻抗的品質(zhì)因數(shù)。

下面的表2a和2b分別給出了CSD18536KCS和CSD18535KCS 60V TO-220 MOSFET數(shù)據(jù)表首頁上出現(xiàn)的絕對最大額定值表。這兩個器件的封裝額定值均為200A，不過，由于CSD18536KCS具有更低的RDS(ON) 和熱阻抗，它具有349A的更高芯片限值，這表明，在處理同樣數(shù)量的連續(xù)電流時，它的運行溫度應(yīng)該比CSD18535KCS的工作溫度低。不過，我們還是不建議將這兩款器件長時間運行在電流超過200A的條件下。從FET的角度說，這就意味著任一超過100ms的電流脈沖;超過這個值的電流脈沖基本上就可以被視為DC脈沖。

表2a：CSD18535KCS絕對最大額定值表

表2b：CSD18536KCS絕對最大額定值表

某些QFN數(shù)據(jù)表還包括一個第3連續(xù)電流，計算方法與芯片限值的計算方法完全一樣，不過，如表格下方的腳注所示，它是器件測得的RθJA 的函數(shù)。使用RθJA (對于一個標(biāo)準(zhǔn)的SON5x6封裝來說，典型值為40?C/W)來計算最大功率的方法假定QFN在應(yīng)用中只處理3W左右的功率。因此，對于未暴露于任何散熱片或使用其它冷卻機(jī)制的QFN器件來說，這個計算方法給出了更加實際的DC電流限值。

開關(guān)參數(shù)

下文我們來看一看MOSFET數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)的某些其它混合開關(guān)參數(shù)，并且檢查它們對于總體器件性能的相關(guān)性(或者與器件性能沒什么關(guān)系)。

另一方面，諸如FET固有體二極管的輸出電荷 (QOSS) 和反向恢復(fù)電荷(Qrr) 等開關(guān)參數(shù)是造成很多高頻電源應(yīng)用中大部分FET開關(guān)損耗的關(guān)鍵因素。不好意思，我說的這些聽起來有點兒前言不搭后語，不過設(shè)計人員在根據(jù)這些參數(shù)比較不同的FET時要小心，這是因為測試條件決定一切，事情往往是如此!

圖4顯示的是，在TI CSD18531Q5A 60V MOSFET的兩個不同di/dt速率上測得的輸出電荷和反向恢復(fù)電荷，這代表了一個事物的兩個方面。在左側(cè)，Qrr在360A/μs時測得的值為85nC，在右邊，2000A/μs時測得的值為146nC。雖然沒有測量部件的di/dt行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，為了得到極地的Qrr，我們的競爭對手將測量時的di/dt速率調(diào)低至100 A/us。

圖4：360A/μs(左側(cè))和2000A/μs(右側(cè))時，在CSD18531Q5A上測得的Qrr和QOSS值。

Qrr 甚至可以對測試執(zhí)行性的二極管正向電流 (If) 具有更強(qiáng)的依賴關(guān)系。而進(jìn)一步使事情復(fù)雜化的原因在于，某些廠商未將QOSS 作為一個單獨參數(shù)包含在內(nèi)，而是只將這個參數(shù)吸收到Qrr 的技術(shù)規(guī)格當(dāng)中。除了數(shù)據(jù)表中列出的測試條件，事實上，其它諸如電路板寄生電感和主觀測量方法等考慮也使得比較單獨廠商數(shù)據(jù)表中的這些參數(shù)變得不太可能。這并不是說這些參數(shù)對于設(shè)計不重要，而是為了說明，要獲得可靠的比較數(shù)據(jù)，唯一有效的解決方案就是使用通常的方法和電路板對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立采集。

我在本文中將要提到的最后一個參數(shù)就是開關(guān)時間。這4個參數(shù)通常由下方圖5中的波形定義，并且會出現(xiàn)在每個廠商的數(shù)據(jù)表中。它們是如此地依賴于電路板和測試條件，以至于FET行業(yè)的一位元老級人物(也是個人導(dǎo)師)經(jīng)常把這些參數(shù)引用為“FET數(shù)據(jù)表中最沒用的參數(shù)”。本來是為了指示出開關(guān)速度，而實際上，由于這些參數(shù)是FET特性值，所以它們至多只反映出驅(qū)動器強(qiáng)度和漏電流。

圖5：定義MOSFET數(shù)據(jù)表開關(guān)時間的波形。

希望這篇文章對你有所啟發(fā)，在閱讀之后能夠更清楚地理解功率MOSFET數(shù)據(jù)表中出現(xiàn)的參數(shù)值和含糊不清的地方。