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(duì)于許多電子工程師來說，他們對(duì)于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)于功率MOSFET來說，通常連續(xù)漏極電流ID是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對(duì)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(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)算值；事實(shí)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(huì)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(duì)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(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對(duì)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(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。

圖1 等效熱阻模型

功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對(duì)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(jì)算得到RθJC或RθJL。根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度，還可以計(jì)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(dú)散熱時(shí)的測試值。實(shí)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(jì)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(shí)，相應(yīng)的ID的值也會(huì)降低。

裸露銅皮的封裝，使用RθJC或RθJA來校核功率MOSFET的結(jié)溫，通常可以增大散熱器，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(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要計(jì)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(jì)算過程中，ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來計(jì)算的，實(shí)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(duì)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(shí)，會(huì)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(diǎn)在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220℃,因此不會(huì)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(shí)候才會(huì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的連續(xù)漏極電流ID會(huì)小于數(shù)基于結(jié)溫計(jì)算的電流。