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(shí)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。可以預(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(shí)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(yùn)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?？梢杂靡阎腇ET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(diǎn)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(diǎn)，從中獲得的數(shù)據(jù)如下面圖3中所示。每個點(diǎn)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(diǎn)

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(diǎn)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(shí)的故障點(diǎn)，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(shí)是，在沒有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表明部件實(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(diǎn)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(dú)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(shí)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(dú)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(dú)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(shí)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。