電源管理小技巧：功率 MOSFET 特性

以Vishay SiE848DF的數據手冊圖作為參考示例，這是一款采用 PolarPAK? 封裝的 N 溝道 30 V 溝槽功率 MOSFET。MOSFET 的封裝限制為 60A 和 25°C。

阻斷電壓是多少？

阻斷電壓 BVDSS 是可以施加到 MOSFET 的最大電壓。當驅動感性負載時，這包括施加的電壓加上任何感性感應電壓。對于感性負載，MOSFET 兩端的電壓實際上可以是施加電壓的兩倍。

MOSFET 的雪崩特性是什么？

這決定了 MOSFET 在雪崩條件下可以承受多少能量。如果超過最大漏源電壓并且電流沖過器件，則會發生雪崩。雪崩值越高，設備越堅固。雪崩條件可能導致兩種可能的故障模式，從而破壞 MOSFET。最具破壞性的是“雙極閉鎖”，如果器件電流在其內部器件電阻上引起電壓降，從而導致晶體管動作和 MOSFET 寄生雙極結構的閉鎖。第二種故障模式是熱故障模式，如果雪崩條件使器件溫度升高到其最高結溫以上，就會發生這種情況。

Trench 技術提供接近行業領先的平面技術的雪崩能力。為了確保令人滿意的性能，該技術中的器件可以針對最高結溫的單脈沖雪崩能量 （EAS） 進行全面表征。EAS 越高，設備越堅固。一些設備是根據 EAR（重復雪崩能量）進行評級的。

溝槽技術提供了低導通電阻的理想特性，有時以犧牲高雪崩能量為代價。與現有的基準平面技術相比，溝槽功率 MOSFET 技術的單位面積器件導通電阻降低了 15%，但通常以更高的電荷為代價。而且，溝槽技術允許將導通電阻溫度系數降低 10%。

什么是功率 MOSFET 導通電阻 RDS（on）

對于平面和溝槽 MOSFET，導通電阻都很重要，因為它決定了功率半導體的功率損耗和發熱。導通電阻越低，器件功率損耗越低，運行溫度就越低。這在標稱工作溫度通常超過 125°C 的應用中尤為重要。 低導通電阻大大降低了許多應用中的散熱要求，從而降低了零件數量和組裝成本。在許多應用中，低導通電阻還消除了并聯 MOSFET 以實現低導通電阻的需要，與前幾代 MOSFET 相比，這提高了可靠性并降低了整體系統成本。

RDS（on） 隨著細胞密度的增加而降低。多年來，電池密度從 1980 年的每平方英寸五十萬個左右增加到平面 MOSFET 的約 800 萬個，溝槽技術的電池密度約為 1200 萬個或更高。

功率 MOSFET 的溫度影響是什么？

無論是平面還是溝槽型，最高結溫 TJ（max） 都是器件本身電氣特性以及所采用封裝的函數。封裝熱特性決定了其從芯片中提取熱量的能力。結到環境和結到外殼的熱阻是衡量 MOSFET 提取熱量能力的指標。數據表以 °C/W 或 K/W 為單位對熱阻進行評級。熱阻越低，封裝消除熱量的效率就越高。在某些情況下，可能需要散熱器將器件結溫保持在其最大額定值以下。圖 6-1 顯示了 VGS = 4.5 V 和 10 V 時 RDS（ON） 隨結溫的變化。VGS 是柵源電壓。

圖 6-1 Rdson 與 Temp 的關系

功率 MOSFET 的連續漏極電流是多少？

連續漏極電流 ID 確定了 MOSFET 驅動特定負載的能力。該值可以由 MOSFET 的封裝限制。當在脈沖模式下運行時，MOSFET 的漏極電流可以是其連續額定值的數倍。在脈沖模式下，脈沖寬度和占空比決定了安全的漏極電流和器件功耗。

功率 MOSFET 的 SOA 是什么？

MOSFET 的安全工作區 SOA 是施加到器件的電壓和電流的函數。SOA 表示為電壓和電流的曲線，圖中顯示了“安全”區域。圖 6-2 是 SiE848DF 的 SOA 圖。

圖 6-2 安全工作區

功率 MOSFET 的柵極電荷是多少？

MOSFET 柵極端上的電荷由其柵極-源極電容決定。柵極電荷越低，就越容易驅動 MOSFET。總柵極電荷 QG 會影響 MOSFET 的最高可靠開關頻率。柵極電荷越低，頻率越高。在較高頻率下工作允許使用較低值、較小尺寸的電容器和電感器，這可能是系統成本的重要因素。低柵極電荷也使其更容易驅動 MOSFET，但是，設計人員有時需要在開關頻率與 EMI 考慮之間進行權衡。一些新型溝槽器件比一些現有的平面技術表現出更低的柵極電荷，方法是用新的較小的晶片器件替換較大的晶片，這些晶片器件已經過優化，可提供溝槽器件的較低電荷版本。圖 6-3 顯示了 SiE848DF 的柵極電荷，以 nC、納庫侖為單位。

圖 6-3 柵極電荷圖

功率 MOSFET 的閾值電壓是多少？

閾值電壓 Vgs（th） 是在源極和漏極區域之間形成導電通道所需的最小柵極-源極偏壓。通常在 250μA 的漏源電流下測量。對于柵極氧化層較厚的高壓器件，其值為 2-4V，對于柵極氧化層較薄的低電壓器件，邏輯兼容值為 1-2V，這是常見的。在功率非常昂貴的基于電池的應用中，RDS（on） 和 Vgsth 值趨于降低。柵極氧化層的質量和完整性成為主要問題，因為柵極氧化層厚度減小以實現較低的 Vgsth，柵極和源極之間需要使 MOSFET 導通的最小電壓。邏輯電平 MOSFET 的典型值約為 2V 至 3V，而其他器件可能具有更高的值。在圖 6-4 中，閾值電壓與結溫的關系圖。數據表規定，對于 250 μA 的漏極電流，典型閾值為 1.8 V，這使 MOSFET 處于邏輯電平范圍內。

圖 6-4 Vgs 與結溫的關系

如何計算導通功率 MOSFET 所需的柵極電流？

盡管輸入電容值很有用，但它們并不適合計算在給定時間內開關器件所需的柵極電流，并且在比較兩個器件的開關性能時也不能提供準確的結果。從電路設計的角度來看，一個更有用的參數是總柵極電荷。大多數制造商在其數據表中都包含這兩個參數。

利用柵極電荷 Qg，設計人員可以計算驅動電路在所需時間內接通器件所需的電流量，因為 Qg = 電流×時間。例如，如果向柵極提供 20mA 的電流，則柵極電荷為 20nC 的器件可以在 20ms 內導通，如果柵極電流增加到 1A，則可以在 20nsec 內導通。使用輸入電容值，這些簡單的計算是不可能的。

功率 MOSFET 的柵極電荷和導通電阻之間有什么關系？

柵極電荷和導通電阻是相互關聯的。也就是說，柵極電荷越低，導通電阻就越高，反之亦然。從歷史上看，MOSFET 制造商一直專注于降低 RDS（on），而不太關注柵極電荷。這種情況在過去幾年中發生了變化，新的設計和工藝出現了，可提供更低的柵極電荷器件。需要注意的是，RDS（on） 和柵極電荷之間存在權衡，并且應用程序將決定哪個參數更重要。RDS（on） × Qg 的乘積是一個品質因數 （FOM），用于比較高頻應用中使用的不同功率 MOSFET

功率 MOSFET 的損耗有哪些？

由于功率 MOSFET 主要用作電源開關，因此預計它們具有低導通和開關損耗。對于電源管理應用，導通損耗、耐用性和雪崩能力是重要特性。導通損耗由功率 MOSFET 的工作電流和導通電阻 （I2R） 的乘積決定。

功率 MOSFET 的體二極管正向電壓是多少？

體二極管正向電壓 （VSD） 是體漏二極管在指定源電流值下保證的最大正向壓降。VSD 的值很重要，在源極-漏極電壓可能擴展到負范圍的應用中必須很低，從而導致體漏二極管正向偏置。如果發生這種情況，源極-漏極電流會從漏極直接流向源極觸點，穿過正向偏置體二極管 p-n 結。

如果柵源電壓 VGS >Vgsth.在這種同步整流器模式下使用低電壓和低 RDS（on） 功率 MOSFET，則第二條更主要的電流傳導路徑將通過通道存在，因為它們的正向壓降可以低至 0.1V，而典型的肖特基二極管正向壓降為 0.4-0.5V。高壓設備 （>100V） 的最大值為 1.6V，低壓設備 （<100V） 的最大值為 1.2V，對于 VSD 很常見。SiE848DF 的源極-漏極二極管正向電壓如圖 6-5 所示。

圖 6-5 源極-漏極二極管 Vf

功率 MOSFET 的最大允許功率耗散是多少？

一個重要的參數是最大允許功率耗散 PD，當外殼溫度保持在 25°C 時，它會將 MOSFET 的芯片溫度提高到最大允許結溫 Tjmax。 最大 Tj 通常為 150°C 或 175°C。

功率 MOSFET 的熱阻是多少？

RθJC 是 MOSFET 的結到外殼熱阻，典型的表面貼裝封裝的熱阻為 30-50 °C/W，而典型的 TO-220 器件的熱阻為 2°C/W 或更低。數據手冊還可以提供功率 MOSFET 結到環境熱阻的 RθJA 值。

功率 MOSFET 的最大 dV/dt 是多少？

允許的源極-漏極電壓的最大上升速率是 MOSFET 的 dV/dt。如果超過此速率，柵源端子兩端的電壓可能會高于器件的閾值電壓，從而迫使器件進入導流模式，在某些情況下可能會發生災難性故障。

有兩種可能的機制可以導致 dV/dt 誘導導通。一個通過柵極-漏極電容 CGD 的反饋作用變為激活狀態，與 CGS 一起形成一個電容分壓器，該分壓器可以產生足以超過 Vth 的脈沖，并在漏極上的快速電壓轉換期間打開器件。當器件的漏極和源極端子上出現電壓斜坡時。通常驅動器會吸收流經柵極電阻 RG 的電流，以在關斷狀態下將柵極箝位為低電平，如果 Rg 太大，有時可能會將驅動器與柵極隔離，從而允許器件導通。RG 是電路中的總柵極電阻。

MOSFET 中 dV/dt 導通的第二種機制是通過寄生 BJT。與體二極管的耗盡區相關的電容，延伸到漂移區，表示為 CDB，出現在 BJT 的基極和 MOSFET 的漏極之間。當漏源端子上出現電壓斜坡時，該電容會產生流經基極電阻 RB 的電流。

哪些因素會影響功率 MOSFET 的開關和瞬態響應？

當 MOSFET 用作開關時，其基本功能是通過施加到柵極的電壓信號來控制漏極電流。器件的開關性能取決于確定電容兩端的電壓變化和電感電流變化所需的時間。RG 是柵極的分布電阻，與有源面積大致成反比。RG 的乘積和多晶硅柵極的活性面積通常約為 20 Ω-mm2。圖 6-6 [缺少 - 如果您有雜志或舊數據表的副本，請將掃描件發送給 Andy] 顯示了 MOSFET 輸入中的寄生效應。Ls 和 LD 是源極和漏極引線電感，大約為幾十 nH。還有幾個與功率 MOSFET 相關的寄生電容。柵極-源極電容 CGS 是由于多晶硅柵極與源極和通道區域重疊而產生的電容，不是外加電壓的強函數。

“靜電”（ESD） 如何影響功率 MOSFET？

MOSFET 技術的出現帶來了另一種殺死半導體的方法：靜電。處理 MOSFET 半導體的人積累的電荷通常足以破壞零件。因此，半導體制造商制定了 3000V 至 5000V 的靜電放電額定值。MOSFET 半導體的處理程序使用接地帶和導電表面來防止靜電問題。