干貨 | 三極管和MOSFET選型規(guī)范

1.1.1    三極管選型原則

行業(yè)發(fā)展總趨勢(shì)為：小型化、表貼化，高頻化，高效率化，集成化，綠色化。重點(diǎn)突出小型化和表貼化。

近年來(lái)，隨著MOSFET的發(fā)展，在低功率高速開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，MOSFET正逐步替代三極管，行業(yè)主流廠家對(duì)三極管的研發(fā)投入也逐年減少，在芯片技術(shù)方面基本沒(méi)有投入，器件的技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在晶圓工藝的升級(jí)（6inch wafer轉(zhuǎn)8inch wafer）及封裝小型化及表貼化上。另外，相對(duì)普通三極管，RF三極管的主要發(fā)展方向是低壓電壓供電，低噪聲，高頻及高效。

選型原則如下：

1）禁選處于生命周期末期的插件封裝器件，如TO92

2）優(yōu)選行業(yè)主流小型化表貼器件，如SOT23，STO323，SOT523等，對(duì)于多管應(yīng)用，優(yōu)先考慮雙管封裝如SOT363及SOT563

3）對(duì)于開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)先考慮選用MOSFET

4）射頻三極管優(yōu)選低電壓供電，低噪聲，高頻及高效器件。

行業(yè)技術(shù)發(fā)展總趨勢(shì)為：小型化、表貼化，高頻化，高功率密度化，高效率化，高可靠性，集成化，綠色化。重點(diǎn)突出高頻化，高功率密度化，高可靠性及集成化。

行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在MOSFET芯片材料，晶圓技術(shù)，芯片技術(shù)及封裝技術(shù)的演進(jìn)及發(fā)展。選型原則如下：

禁止選用處于生命周期末期的插件封裝器件（能源用TO220，TO247除外）及封裝為SO8，DPAK的表貼器件。

對(duì)于信號(hào)MOSFET推薦選用柵極集成TVS保護(hù)的小型化表貼器件。

1）對(duì)于Vds<=250V的功率MOSFET

單管優(yōu)選行業(yè)主流無(wú)引腳表貼功率封裝POWERPAK 5X6及POWERPAK3X3，在散熱不滿足要求的情況下可考慮翼型帶引腳表貼封裝D2PAK；

Buck上下管集成方案優(yōu)選下管sourcing down POWERPAK5X6 dual封裝；

電源模塊考慮到器件散熱問(wèn)題，可選行業(yè)主流插件封裝TO220

對(duì)于緩起及熱插拔應(yīng)用，選用器件時(shí)請(qǐng)重點(diǎn)評(píng)估器件是否工作在其安全工作區(qū)域

開(kāi)關(guān)應(yīng)用需同緩起，熱插拔及ORing應(yīng)用區(qū)分選型

超高頻領(lǐng)域（1MHz以上），可考慮用GANMOS替代，從而提高效率降低系統(tǒng)面積。

2）對(duì)于Vds介于600V~650V的高壓功率MOSFET，其用于AC電源模塊優(yōu)先考慮選用Vds為650V的器件；

封裝根據(jù)電源模塊散熱及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求推薦選用表貼器件POWERPAK 8X8及插件TO247，未來(lái)還可考慮表貼器件POWERPAK5X6；

對(duì)于在電路中工作頻率不高的場(chǎng)景如當(dāng)前PFC電路，優(yōu)選寄生二極管不帶快恢復(fù)特性的MOSFET（如INFINEON C3，C6，P6系類(lèi)），對(duì)于電路中工作頻率較高的場(chǎng)景如LLC電路，優(yōu)選寄生二極管帶恢復(fù)特性的MOSFET（如INFINEON CFD系列）；

對(duì)于電源效率要求不是特別高的場(chǎng)景，部分MOSFET可以考慮用高速I(mǎi)GBT替換，達(dá)到降成本的目的。對(duì)于高效模塊，可考慮選用SIC MOSFET替代傳統(tǒng)Si MOSFET，達(dá)到提升電源工作效率的目的；

對(duì)于Vds高于800V的MOSFET，如果Id大于5A，建議考慮選用IGBT，如果Id小于5A，建議選用行業(yè)主流封裝TO247，TO220或D2PAK；

原則上禁止選用耗盡性JFET，如遇到特殊電流需使用，請(qǐng)?jiān)谛袠I(yè)主流封裝SOT23Z中選擇。

三極管在電路中有放大和開(kāi)關(guān)兩種作用，目前在我司的電路中三極管主要起開(kāi)關(guān)作用。在選擇三極管的時(shí)候，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：參數(shù)、封裝、性能（低壓降、低阻抗、高放大倍數(shù)、高開(kāi)關(guān)效率）

1）參數(shù)的選擇：三極管有很多參數(shù)，選型對(duì)于三極管的參數(shù)沒(méi)有特殊的要求，需要關(guān)注的參數(shù)有Vceo、Vcbo、Vebo、Ic(av)、Pd、Hef。比較重要的參數(shù)是Vceo、Ic(av)，對(duì)于Vceo的值有時(shí)廠家會(huì)給Vces的值，不能用Vces的值作為Vceo，因?yàn)閂ces=Vcbo>Vceo。如果器件的電壓和電流值在降額后滿足需求，Pd可以不用過(guò)多的去考慮（三極管做放大用、作電壓線性轉(zhuǎn)化以及三極管功率比較大的場(chǎng)合需要考慮Pd）。

在滿足降額規(guī)范要求的前提下，考慮輸出電流和相應(yīng)的耗散功率，擊穿電壓大小，放大倍數(shù)等參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)盡量選用熱阻小，允許結(jié)溫高的器件。

2）封裝：三極管的封裝的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、表貼化、平腳化、無(wú)引腳化。

封裝質(zhì)量?jī)?yōu)劣的是用芯片面積與封裝面積的比值來(lái)判斷的，比值越接近1越好。目前三極管最小封裝是sot883（DFN1006-3），優(yōu)選封裝有sot883、sot663、sot23、sot89、sot223、sot666。由于三極管的功率需求越來(lái)越小，所以小封裝三極管是其引進(jìn)的一個(gè)方向，在參數(shù)滿足規(guī)格的前提下盡量選擇小封裝。

3）性能：選擇低Vce（sat）的、低阻抗的器件。目前NXP、ON、ZETEX等均推出了低飽和壓降的器件，在選型時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮。

1）漏源擊穿電壓V(BR)DSS：漏源擊穿電壓V(BR)DSS一般是在結(jié)溫Tj=25℃下，VGS=0V，ID為數(shù)百A下的測(cè)試值，由于V(BR)DSS和Rds(on)成反比，因此多數(shù)廠家MOSFET的上限為1000V。V(BR)DSS與溫度有關(guān)，Tj上升100℃，V(BR)DSS約線性增加10%。反之，Tj下降時(shí)，V(BR)DSS以相同比例下降。這一特性可以看作MOSFET的優(yōu)點(diǎn)之一，它保證了內(nèi)部成千上萬(wàn)個(gè)元胞在雪崩擊穿時(shí)，難以使雪崩電流密集于某一點(diǎn)而導(dǎo)致器件損壞（不同于功率三極管）。

2）最大額定柵源電壓VGS

柵源之間的SiO2氧化層很薄，因此在二者之間加上不高的電壓就會(huì)在內(nèi)部形成很高的電場(chǎng)，而電場(chǎng)超過(guò)SiO2材料的承受能力便發(fā)生擊穿導(dǎo)致器件失效。

最大額定柵源電壓VGS多數(shù)廠家資料為20V，（對(duì)于低驅(qū)動(dòng)電壓的低壓MOSFET一般為10V）。目前很多廠對(duì)于高驅(qū)動(dòng)電壓MOSFET已將此極限電壓提高到30V。SIC MOSFET則多為10V~25V間，啟動(dòng)電壓不對(duì)稱(chēng)，選用時(shí)需注意驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。

對(duì)于MOSFET，當(dāng)頻率小于100KHz時(shí)，主要是導(dǎo)通損耗占的比重最大。因此影響損耗的主要參數(shù)為通態(tài)電阻Rds(on)。一般廠家給出的Rds(on)值，是在規(guī)定的VGS（如10V）ID（一般為標(biāo)稱(chēng)電流值）、Tj（一般為25℃）條件下的值。

對(duì)于Rds(on)，有以下特性：對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，在相同設(shè)計(jì)及工藝條件下，如果提高M(jìn)OSFET的Rds(on)值，會(huì)導(dǎo)致Rds(on)升高。Rds(on)值隨著結(jié)溫升高而近似線性升高。其結(jié)果是導(dǎo)致?lián)p耗增加，例如下圖IRF640的Rds(on)與Tj關(guān)系圖，如果結(jié)溫在120℃時(shí)，Rds(on)值將是25℃時(shí)的1.8倍。因此導(dǎo)通損耗I2*Rds(on)也將增加到1.8倍；相對(duì)于Si MOSFET，SiC MOSFET由于其禁帶寬度較Si MOSFET寬，所以其溫度特性明顯優(yōu)于Si MOSFET。在150℃的條件下，SIC MOSFET的Rds(on)僅僅比在25℃條件下增加20%。

與VGS的關(guān)系：為了將Rds(on)降低到最小，至少VGS要提高到10V（4V驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品約外加5V）才可降到最小。此外，即使將VGS提高到12V~15V以上，也不會(huì)對(duì)Rds(on)的降低起多大作用（如果在占空比小的情況下有接近或超出直流額定電流的運(yùn)用，另當(dāng)別論），不必要地增大這種柵壓，會(huì)加大充電電流，增加驅(qū)動(dòng)損耗，并容易在柵源間發(fā)生尖峰電壓。增加?xùn)旁磽舸┑氖Ц怕?。因此?duì)于一般的MOSFET，12V驅(qū)動(dòng)即可。

相同的結(jié)溫下，隨著ID增大，Rds(on)有輕微增大。計(jì)算功耗時(shí)，可以忽略該變化。在實(shí)際使用中，如果增大ID值，導(dǎo)致發(fā)熱上升，那是因?yàn)樯釛l件（熱阻）不變，ID增加，功耗P= I2* Rds(on)增加，結(jié)溫升高，Rds(on)隨之升高，進(jìn)一步加大功耗。

另外，當(dāng)頻率超過(guò)100KHz后，開(kāi)關(guān)損耗所占的比例不能忽視，這時(shí)就必須注意器件本身的柵極電荷Qg，輸出電容Coss，以及柵極驅(qū)動(dòng)電阻對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響。特別是通態(tài)電阻越小的MOSFET，通常其元胞密度就越大，因此Qg、Coss就會(huì)越大，這就會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗。

近來(lái)，由于MOSFET的應(yīng)用頻率進(jìn)一步提高，在低壓大電流的MOSFET生產(chǎn)上，還需注意從工藝設(shè)計(jì)上改善MOSFET內(nèi)部寄生的Rg，以降低MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，提高應(yīng)用頻率（或提高電流）

限制電流處理能力的最終因素是最大可允許結(jié)溫（通常廠家規(guī)定為150℃）。一般用可持續(xù)直流漏極電流ID、額定峰值電流IDM來(lái)表征。

1）可持續(xù)直流漏極電流ID

實(shí)際可允許最大ID值是決定于Rds(on)、結(jié)-殼熱阻RJC（它決定于器件的芯片封裝材料及工藝水平）、最大可允許結(jié)溫Tj，以及殼溫Tc等機(jī)構(gòu)參數(shù)。它們滿足一下公式：

I2* Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc

其中Rds(on)、Rjc、Tjmax由器件本身的特性決定，Tc則與設(shè)計(jì)有關(guān)，如散熱條件、功耗等（注：可允許最大漏極功耗Pd= I2*Rds(on)=(Tjmax-Tc)/Rjc）。一般廠家資料給出的是殼溫下的ID值，另外有些廠家還給出了最大ID和Tc之間的關(guān)系曲線。

以IRF640為例，電流標(biāo)稱(chēng)值為18A（Tc=25℃下），其ID和Tc的關(guān)系如上圖。由圖可見(jiàn)，當(dāng)殼溫有25℃變到125℃時(shí)，可見(jiàn)最大直流漏極電流由18A下降到8A。必須注意，Tc=25℃下的ID僅僅具有參考意義（可以進(jìn)行不同管子之間的比較），因?yàn)樗羌俣ㄉ釛l件足夠的好，外殼溫度始終為25℃（在實(shí)際應(yīng)用中，根本不可能），從而根據(jù)公式I2* Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc推算出來(lái)的。但在實(shí)際應(yīng)用情況下，由于環(huán)境溫度和實(shí)際散熱條件的限制，殼溫通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25℃，且最高結(jié)溫通常要保持在20℃以上的降額。因此，可允許直流漏極電流必須隨溫度升高而降額使用。

2）額定峰值電流IDM

如果電流脈沖或占空比較小時(shí)，則允許其超過(guò)ID值，但其脈沖寬度或占空比需要受到最大可允許結(jié)溫的限制。一般廠家資料規(guī)定25℃下的額定峰值電流IDM值為ID值的四倍，并且是在VGS=20V下得到的。

由于在G、D、S各極之間存在不可避免的寄生電容。因此，在驅(qū)動(dòng)時(shí)，該電容器有充放電電流和充放電時(shí)間，這便是驅(qū)動(dòng)損耗、開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的根本原因。器件的開(kāi)關(guān)特性通常以Qg來(lái)衡量。

1）輸入電容Ciss、反向傳輸電容Crss、輸出電容Coss 

由于在G、D、S各極之間存在不可避免的寄生電容，因此，在驅(qū)動(dòng)時(shí)，改電容器有充放電電流和充放電時(shí)間，這便是驅(qū)動(dòng)損耗、開(kāi)關(guān)損耗產(chǎn)生的根本原因。器件的開(kāi)關(guān)特性通常以Qg來(lái)衡量。

1）輸入電容Ciss、反向傳輸電容Crss、輸出電容Coss

如上圖，Ciss=Cgd+Cgs，Crss=Cgd，Coss=Cds+Cgd

2）總的柵極電荷Qg

它表示在開(kāi)通過(guò)程中要達(dá)到規(guī)定的柵極電壓所需要的充電電荷。是在規(guī)定的VDS、ID及VGS（一般為10V）條件下測(cè)得的。

由于彌勒效應(yīng)的存在，Cgd雖然比Cgs小很多，但在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中它起的作用最大，因此客觀來(lái)講，考察MOSFET的Qg比考察Ciss等來(lái)得更為準(zhǔn)確一些。

另外還有柵極電荷Qge、柵極電荷（彌勒電荷）Qgd兩個(gè)參數(shù)。

如下圖以IRF640為例，示意它們的波形。

3）柵極電阻Rg，開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf

同樣描述的是器件的開(kāi)關(guān)性能，同時(shí)關(guān)系到器件的驅(qū)動(dòng)損耗。其具體值與測(cè)試條件密切相關(guān)。比較不同的管子時(shí)尤其要引起注意。否則容易為廠家所誤導(dǎo)。 

1）最大可允許結(jié)溫Tjmax

這是可靠性最為重要的參數(shù)，對(duì)MOSFET，一般廠家都標(biāo)為150℃，也有125℃和175℃的特殊半導(dǎo)體器件。

2）雪崩額定值

由于漏感和分布電感以及關(guān)斷時(shí)的di/dt，可能會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰從而強(qiáng)制MOSFET進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，VDS被鉗制在實(shí)際的擊穿電壓點(diǎn)，但如果進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)的實(shí)際很短，能量很小，器件本身則可以將其消耗掉而不至于損壞。

有三個(gè)參數(shù)能表征這一特性，即可允許單次脈沖雪崩能量EAS、可允許重復(fù)脈沖雪崩能量EAS（脈寬受到最大結(jié)溫限制）、發(fā)生雪崩時(shí)的初始最大雪崩電流IAR。雪崩能量額定值隨結(jié)溫升高而顯著下降，隨發(fā)生雪崩時(shí)起始電流的增加而下降。

如果器件工作時(shí)有雪崩情況，注意在老化工程中，由于結(jié)溫會(huì)相應(yīng)升高，雪崩能力會(huì)相應(yīng)下降，如果下降到一定程度則有可能是器件損壞，并且這種損壞通常只呈現(xiàn)一定的比例。（當(dāng)然也有可能是其它原因引起MOSFET損壞，如變壓器在高溫大電流下的磁飽和）

3）柵極漏電流IGSS、漏極斷態(tài)漏電流IDSS

這兩個(gè)參數(shù)在具體設(shè)計(jì)時(shí)可能用不到，但它限制了器件內(nèi)部工藝、材料的好壞，其值盡管可能是小到mA級(jí)或uA級(jí)，但比較器件時(shí)，通過(guò)測(cè)試它隨電壓變化（尤其是高溫下）的情況也可以比較判斷器件的優(yōu)劣。

在某些電路可能要運(yùn)用到體內(nèi)二極管進(jìn)行續(xù)流，此時(shí)則需要考察二極管的參數(shù)。

1）的dv/dt值

體寄生二極管續(xù)流時(shí)，少子空穴也參與了導(dǎo)電，并且濃度很高，當(dāng)二極管導(dǎo)通周期結(jié)束，外電路使二極管反轉(zhuǎn)時(shí)，如果D、S之間的電壓上升過(guò)快，大量少子空穴有一部分來(lái)不及復(fù)合掉，引起橫向流過(guò)體區(qū)的電流，該電流在P+區(qū)和源區(qū)N+之間形成的壓降可能使寄生的三極管導(dǎo)通，（漏極D相當(dāng)于寄生NPN三極管的集電極、P+相當(dāng)于基極，源極S極相當(dāng)于****極，基極****極有正向壓降時(shí)，由于dv/dt大，電壓上升快，集電極與****極之間也有正電壓，因此寄生三極管導(dǎo)通），電流會(huì)密集于第一個(gè)導(dǎo)通的元胞，從而使器件熱擊穿損壞。

2）其它參數(shù)

a.反向恢復(fù)特性，有反向恢復(fù)電荷、反向恢復(fù)時(shí)間。續(xù)流運(yùn)用時(shí)要考慮匹配。

b.電流電壓參數(shù)，有正向壓降VSD，其電流參數(shù)IS、ISM與ID、IDM相同，相對(duì)于SI MOSFET，SIC MOSFET的寄生二極管的正向壓降，這是因?yàn)镾IC的拐點(diǎn)電壓（Knee voltage：point at which diode turn on）是Si的3倍，這非常近似于它們禁帶寬度的比值，因此SIC MOSFET的VSD約為2.5V，而Si MOSFET的VSD約為0,8V。

封裝選用主要結(jié)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，熱設(shè)計(jì)，單板加工工藝及可靠性考慮，選擇具有合適封裝形式及熱阻的封裝。常見(jiàn)功率MOSFET封裝為DPAK、D2PAK、PowerPAK 5X6、PowerPAK 3X3、DirectFET、TO220、TO247，小信號(hào)MOSFET對(duì)應(yīng)的SOT23，SOT323等，后繼引進(jìn)中主要考慮PowerPAK 8X8，PowerPAK SO8 5X6 Dual，PowerPAK 5X6 dual cool，SO8封裝器件在行業(yè)屬退出期器件，選型時(shí)禁選，DPAK封裝器件在行業(yè)屬飽和期器件，選型時(shí)限選；插件封裝在能源場(chǎng)景應(yīng)用中優(yōu)選，比如TO220，TO247。  

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