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【功率器件研究所】第二課：如何理解功率MOSFET規(guī)格書(shū)（1/4）
一. 器件標(biāo)稱及應(yīng)用說(shuō)明
圖1. IRFB11N50Adatasheet section 2
Datasheet開(kāi)篇一般都會(huì)給出本器件的性能標(biāo)稱，即額定電流，額定電壓及最大RDS(ON)值。此外，還會(huì)結(jié)合本器件的性能特點(diǎn)，給出適合的應(yīng)用領(lǐng)域。
這里給出的應(yīng)用領(lǐng)域是開(kāi)關(guān)模式電源支持（SMPS），不間斷電源(UPS)及高速電源開(kāi)關(guān)。
二. 器件特點(diǎn)及封裝形式
圖2.IRFB11N50A datasheet section 3
這里給出了本器件的三個(gè)特性：
1．較低的柵極總充電電量只需簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)。這也意味著較快的開(kāi)關(guān)速度及較低的量損耗。
2．優(yōu)化的柵結(jié)構(gòu)，雪崩能力以及dv/dt的性能。這表明本器件對(duì)惡劣工作條件的忍受能力。
3．真實(shí)的電容，雪崩電壓及電流特性能力。設(shè)計(jì)人員在使用時(shí)能完全參考該datasheet的規(guī)格數(shù)據(jù)。
本器件采用的是TO-220封裝，是最常見(jiàn)的MOSFET的封裝形式之一，可用于各類(lèi)主板。TO-220封裝的最大優(yōu)點(diǎn)是散熱快，使器件在同等工作條件下，得到更低的結(jié)溫。
三．熱阻
圖3.1IRFB11N50A datasheet section 4
熱阻是datasheet中極其重要的參數(shù)之一，是計(jì)算其他參數(shù)的依據(jù)。熱阻越小，表示該器件的散熱越快。
圖3.2 封裝結(jié)構(gòu)及等效熱阻電路對(duì)應(yīng)關(guān)系圖
1．結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻RθJC：
也稱作RthJC（見(jiàn)圖3.2），它表明當(dāng)耗散一個(gè)給定的功率時(shí)，結(jié)溫與外殼溫度之間的差值大小。
公式表達(dá)為：
(式3.1)
其中ΔT表示溫升，PD表示最大損耗功率。
即如果RθJC等于 0.75 ? C/W，則每耗散10 W的功率，結(jié)溫將會(huì)高于外殼7.5 ? C。
在實(shí)際應(yīng)用中，更常用的是瞬時(shí)熱阻ZthJC（見(jiàn)圖3.3）。
圖3.3 Maximum Effective Transient ThermalImpedance, Junction-to-Case
要從圖3.3中讀出ZthJC，就必須知道測(cè)試信號(hào)時(shí)間t1和總的測(cè)試脈沖周期t2，計(jì)算得到脈沖占空比D，通過(guò)t1和相對(duì)應(yīng)的D查到對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)熱阻，然后代入式3計(jì)算就可以得到瞬態(tài)溫升了。
一般曲線圖中t1的最小單位時(shí)10us，但是如果要用到1us時(shí)候的瞬態(tài)熱阻，就需要自己計(jì)算了，計(jì)算公式如下：
(式3.2)
2．外殼到散熱片的熱阻RθCS：
絕緣封裝時(shí)，外殼（也就是圖3.2中的引線框）完全壓縮在塑料中。因此無(wú)法給出結(jié)點(diǎn)到外殼的熱阻值，取而代之是結(jié)點(diǎn)到散熱片的RθCS,它表現(xiàn)出散熱片復(fù)合的作用。當(dāng)比較絕緣封裝和非絕緣封裝型號(hào)的熱阻時(shí)必須特別小心。
3．結(jié)點(diǎn)到周?chē)h(huán)境的熱阻RθJA：
說(shuō)明當(dāng)器件不安裝散熱器且在流通空氣中運(yùn)行時(shí)結(jié)溫是如何升高的。
如果RθJA= 62? C /W, 在流通空氣中功率的耗散為1W將會(huì)產(chǎn)生使結(jié)溫高于外界空氣環(huán)境溫度62? C。
四．極限參數(shù)
圖4.1IRFB11N50A datasheet section 5
表中給出八個(gè)參數(shù)的絕對(duì)最大值。器件可以在這些值規(guī)定的范圍內(nèi)工作，不能超出這些值，一旦超出，器件將會(huì)發(fā)生毀滅性的損壞。其中，除了VGS和dv/dt需要根據(jù)器件的真實(shí)性能來(lái)制定，ID和PD可以通過(guò)公式計(jì)算得到，而TJ和TSTG等需要根據(jù)應(yīng)用情況而定。
1．最大直流漏源電流ID:
器件正常工作時(shí)，漏源間所允許通過(guò)的最大電流。這里給出的是當(dāng)
VGS=10V（即器件開(kāi)態(tài)時(shí)），分別在外殼溫度為25度和100度時(shí)的最大直流漏源電流，但這并不代表在運(yùn)行過(guò)程中能夠達(dá)到這里所給定的值。
該參數(shù)其實(shí)是由公式計(jì)算得到的，公式如下：
（式4.1）
將表中的PD=170W以及RDS(on)=0.52Ω 代入式中，可得：
(式4.2)
式中的2.7是一個(gè)RDS(on)隨溫度變化的比例常數(shù)，由圖4.2中給出，此處取TJ為150度時(shí)的常數(shù)值，約為2.7。
圖4.2Normalized On-ResistanceVs.Temperature
最大直流漏源電流ID會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減額，如圖4.3所示。其實(shí)根據(jù)式4.2來(lái)看的話，其曲線就是一條拋物線。
圖4.3 Maximum Drain CurrentVs. CaseTemperature
既然是計(jì)算值，必會(huì)有局限性。
例如器件IRF1404，其計(jì)算所得的ID值為162A，但是其封裝形式的電流能力只有75A，所以在datasheet的備注中，會(huì)說(shuō)明“封裝限制電流為75A”。
2．最大脈沖漏源電流IDM：
功率MOS器件總的來(lái)說(shuō)都有很強(qiáng)的峰流通過(guò)能力。連接管腳和芯片上的內(nèi)部打線決定了該極限值。該參數(shù)所能應(yīng)用的脈沖寬度取決于熱考慮。此參數(shù)會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減額。
此參數(shù)一般取最大直流漏源電流ID的4倍，這里也就是11 x 4 =44A。這一經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)三極管的參數(shù)特性沿用下來(lái)的。
3．最大耗散功率PD：
保證場(chǎng)效應(yīng)管性能良好的最大漏源耗散功率。這里給出的是襯底溫度為25度時(shí)的最大消耗功率，此參數(shù)一般會(huì)隨結(jié)溫度的上升而有所減額，這里給出了它的最大線性減額幅度，即每升高1度，最大耗散功率減額1.3W，這也是通過(guò)熱阻計(jì)算出來(lái)的。
1 / RθJC=1 / 0.75 = 1.3W
(式4.3)
最大損耗功率是功率器件應(yīng)用中至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，圖4.4的安全工作區(qū)域曲線（SOA）就是用于說(shuō)明最大損耗功率與相關(guān)參數(shù)關(guān)系的。
圖4.4 MaximumSafe Operating Area
安全區(qū)主要是由四個(gè)條件所決定：導(dǎo)通電阻RDS(on)、最大脈沖電流IDpulse、最大功率損耗PD及最大耐壓V(BR)DSS。正常條件下，PowerMOSFET都必須工作在安全工作區(qū)域之內(nèi)。
瞬態(tài)最大功耗PD的計(jì)算公式是：
（式4.4）
其中Tjmax為極限結(jié)溫，Tmb為外殼溫度（一般情況下為25°C），這里ZthJC使用表中給出的0.75代入公式中，可以得到該器件的最大功率損耗：
PD=（150－25）/ 0.75
= 166.66W≈ 170W
（式4.5）
4．最大柵源電壓VGS：
柵上所能承受的最大電壓，如果超過(guò)此最大值，柵極會(huì)被破壞。
為保證應(yīng)用的余量，給出的VGS值一定會(huì)小于柵源擊穿電壓V(BR)GSS。
一般VGS也可以估算得到，約為柵氧厚度值的十分之一。
5．漏極電壓變化率dv/dt:
在MOSFET器件中，存在兩個(gè)dv/dt的概念（如圖4.5），分別如下：
圖4.5 Equivalent Circuit of Power MOSFETShowing Two Possible Mechanisms for dv/dt Induced Turn-on
1）柵極電壓的變化率：
這個(gè)dv/dt用來(lái)計(jì)算柵極電壓的變化速度，與開(kāi)啟的快慢有直接關(guān)系，在應(yīng)用電路中，dv/dt與柵壓VG，以及柵漏電容CGD有關(guān)，當(dāng)VG等于Vth，CGD充電完成后，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)柵電阻RG實(shí)現(xiàn)控制dv/dt的速率，公式如下：
(式4.6)
這里順帶說(shuō)明一下RG。在低壓大電流Trench PowerMOSFETs的datasheet中一般會(huì)給出RG的值。
RG由兩部分組成，外部電路中的柵電阻RG.C以及器件內(nèi)部由柵金屬，焊接線以及外部封裝組成的器件內(nèi)部電阻RG.I。如果RG過(guò)大，在相同的外部電流下，會(huì)提前達(dá)到開(kāi)啟電壓，從而導(dǎo)致器件誤開(kāi)啟。
2）源漏二極管導(dǎo)通電壓恢復(fù)峰值：
這個(gè)就是我們datasheet中所指的dv/dt了。
這個(gè)參數(shù)可以理解為在允許范圍內(nèi)，當(dāng)工作中的器件突然關(guān)斷時(shí)，漏源間的最大電壓上升速率。與反向恢復(fù)一樣，這也是表征體二極管性能的重要參數(shù)。
如果這個(gè)增長(zhǎng)速率超過(guò)額定速率范圍的話，會(huì)引發(fā)MOSFET出現(xiàn)誤導(dǎo)（spurious-trigger）情況，甚至對(duì)器件造成毀滅性的破壞。
過(guò)快的dv/dt會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的di/dt，從而使得電流迅速累積，作為寄生三極管的Base端的P-bodyde的電阻RB會(huì)充當(dāng)這個(gè)電流的載體，使得Base端電壓增大，當(dāng)大于P-body和N+組成的PN結(jié)的正向?qū)妷?/span>VBE(常溫下約0.7V)的時(shí)候，P-body與N+導(dǎo)通，電流不通過(guò)溝道而使器件直接導(dǎo)通，這一導(dǎo)通過(guò)程就稱為誤導(dǎo)開(kāi)啟。
一旦誤導(dǎo)開(kāi)啟，如果沒(méi)有做好電流限制，很容易觸發(fā)雪崩擊穿，最終對(duì)器件造成毀滅性的破壞。
所以，衡量這個(gè)dv/dt的能力的，也就變成相應(yīng)的寄生三極管的參數(shù)了：
(式4.7)
一般情況下，datasheet中給出的dv/dt約為器件真實(shí)性能的一半。一般器件的dv/dt能量必須超過(guò)3V/ns。
6．最大工作結(jié)溫Tj：
根據(jù)器件的工作環(huán)境定義不同，通常為 150℃ 或 175℃，這個(gè)溫度也是可靠性考核的參考溫度。
7．存儲(chǔ)溫度范圍TSTG：
超出該溫度范圍可能導(dǎo)致器件可靠性降低。
8．其他：
這里還給出了10秒內(nèi)的最大焊接溫度及最大的6-32或M3螺絲的安裝扭矩（單位是鎊/英寸或者是牛頓/米）。