一位工程師曾經對我講，他從來不看MOSFET數據表的第一頁，因為“實用”的信息隻在第二頁以後才出現。事實上，MOSFET數據表上的每一頁都包含有對設計者非常有價值的信息。但人們不是總能搞得清楚該如何解讀製造商提供的數據。本文概括了一些MOSFET的關鍵指標，這些指標在數據表上是如何表述的，以及你理解這些指標所要用到的清晰圖片。像大多數電子器件一樣，MOSFET也受到工作溫度的影響。所以很重要的一點是了解測試條件
，所提到的指標是在這些條件下應用的。還有很關鍵的一點是弄明白你在“產品簡介”裏看到的這些指標是“最大”或是“典型”值
，因為有些數據表並沒有說清楚。

 

電壓等級

 

確定MOSFET的首要特性是其漏源電壓VDS，或“漏源擊穿電壓”，這是在柵極短路到源極，漏極電流在250μA情況下，MOSFET所能承受的保證不損壞的最高電壓。VDS也被稱為“25℃下的絕對最高電壓”，但是一定要記住，這個絕對電壓與溫度有關
，而且數據表裏通常有一個“VDS溫度係數”。你還要明白，最高VDS是直流電壓加上可能在電路裏存在的任何電壓尖峰和紋波。例如
，如果你在電壓30V並帶有100mV、5ns尖峰的電源裏使用30V器件，電壓就會超過器件的絕對最高限值，器件可能會進入雪崩模式。在這種情況下
，MOSFET的可靠性沒法得到保證。

 

在高溫下，溫度係數會顯著改變擊穿電壓。例如，一些600V電壓等級的N溝道MOSFET的溫度係數是正的，在接近最高結溫時，溫度係數會讓這些MOSFET變得象650V MOSFET。很多MOSFET用戶的設計規則要求10%～20%的降額因子。在一些設計裏
，考慮到實際的擊穿電壓比25℃下的額定數值要高5%~10%，會在實際設計中增加相應的有用設計裕量，對設計是很有利的。

 

對正確選擇MOSFET同樣重要的是理解在導通過程中柵源電壓VGS的作用。這個電壓是在給定的最大RDS(on)條件下，能夠確保MOSFET完全導通的電壓。這就是為什麼導通電阻總是與VGS水平關聯在一起的原因，而且也是隻有在這個電壓下才能保證器件導通。一個重要的設計結果是，你不能用比用於達到RDS(on)額定值的最低VGS還要低的電壓，來使MOSFET完全導通。例如，用3.3V微控製器驅動MOSFET完全導通，你需要用在VGS= 2.5V或更低條件下能夠導通的MOSFET。

 

導通電阻，柵極電荷
，以及“優值係數”

 

MOSFET的導通電阻總是在一個或多個柵源電壓條件下確定的。最大RDS(on)限值可以比典型數值高20%～50%。 RDS(on)最大限值通常指的25℃結溫下的數值，而在更高的溫度下，RDS(on)可以增加30%～150%
，如圖1所示。由於RDS(on)隨溫度而變，而且不能保證最小的電阻值，根據RDS(on)來檢測電流不是很準確的方法。

 

圖1 RDS(on)在最高工作溫度的30%～150%這個範圍內隨溫度增加而增加

 

導通電阻對N溝道和P溝道MOSFET都是十分重要的。在開關電源中
，Qg是用在開關電源裏的N溝道MOSFET的關鍵選擇標準，因為Qg會影響開關損耗。這些損耗有兩個方麵影響：一個是影響MOSFET導通和關閉的轉換時間
；另一個是每次開關過程中對柵極電容充電所需的能量。要牢記的一點是，Qg取決於柵源電壓，即使用更低的Vgs可以減少開關損耗。

 

作為一種快速比較準備用在開關應用裏MOSFET的方式，設計者經常使用一個單數公式，公式包括表示傳導損耗RDS(on)及表示開關損耗的Qg：RDS(on) xQg。這個“優值係數”(FOM)總結了器件的性能，可以用典型值或最大值來比較MOSFET。要保證在器件中進行準確的比較，你需要確定用於RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示裏典型值和最大值沒有碰巧混在一起。較低的FOM能neng讓rang你ni在zai開kai關guan應ying用yong裏li獲huo得de更geng好hao的de性xing能neng，但dan是shi不bu能neng保bao證zheng這zhe一yi點dian。隻zhi有you在zai實shi際ji的de電dian路lu裏li才cai能neng獲huo得de最zui好hao的de比bi較jiao結jie果guo
，在zai某mou些xie情qing況kuang下xia可ke能neng需xu要yao針zhen對dui每mei個geMOSFET對電路進行微調。

 

額定電流和功率耗散

 

基於不同的測試條件，大多數MOSFET在數據表裏都有一個或多個的連續漏極電流。你要仔細看看數據表

，搞清楚這個額定值是在指定的外殼溫度下(比如TC = 25℃)，或是環境溫度(比如TA = 25℃)。這些數值當中哪些是最相關將取決於器件的特性和應用(見圖2)。

 

圖2  全部絕對最大電流和功率數值都是真實的數據

 

對於用在手持設備裏的小型表麵貼裝器件
，關聯度最高的電流等級可能是在70℃環境溫度下的電流，對於有散熱片和強製風冷的大型設備，在TA = 25℃xiadedianliudengjikenenggengjiejinshijiqingkuang。duiyumouxieqijianlaishuo
，guanxinzaiqizuigaojiewenxianenggouchulidedianliuyaogaoyufengzhuangsuoxiandingdedianliushuiping
，zaiyixieshujubiao，zhezhong“管芯限定”的電流等級是對“封裝限定”電流等級的額外補充信息
，可以讓你了解管芯的魯棒性。

 

對於連續的功率耗散也要考慮類似的情況，功耗耗散不僅取決於溫度
，而且取決於導通時間。設想一個器件在TA= 70℃情況下，以PD=4W連續工作10秒鍾。構成“連續”時間周期的因素會根據MOSFET封裝而變化，所以你要使用數據表裏的標準化熱瞬態阻抗圖

，看經過10秒、100秒或10分鍾後的功率耗散是什麼樣的。如圖3所示
，這個專用器件經過10秒脈衝後的熱阻係數大約是0.33，這意味著經過大約10分鍾後
，一旦封裝達到熱飽和，器件的散熱能力隻有1.33W而不是4W，盡管在良好冷卻的情況下器件的散熱能力可以達到2W左右。

 

圖3   MOSFET在施加功率脈衝情況下的熱阻

 

實際上
，我們可以把MOSFET選型分成四個步驟。

 

第一步：選用N溝道還是P溝道

 

為設計選擇正確器件的第一步是決定采用N溝道還是P溝道MOSFET。在典型的功率應用中，當一個MOSFET接地，而負載連接到幹線電壓上時，該MOSFET就構成了低壓側開關。在低壓側開關中，應采用N溝道MOSFET
，這是出於對關閉或導通器件所需電壓的考慮。當MOSFET連接到總線及負載接地時，就要用高壓側開關。通常會在這個拓撲中采用P溝道MOSFET，這也是出於對電壓驅動的考慮。　　

 

要(yao)選(xuan)擇(ze)適(shi)合(he)應(ying)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)，必(bi)須(xu)確(que)定(ding)驅(qu)動(dong)器(qi)件(jian)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)壓(ya)，以(yi)及(ji)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)最(zui)簡(jian)易(yi)執(zhi)行(xing)的(de)方(fang)法(fa)。下(xia)一(yi)步(bu)是(shi)確(que)定(ding)所(suo)需(xu)的(de)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)，或(huo)者(zhe)器(qi)件(jian)所(suo)能(neng)承(cheng)受(shou)的(de)最(zui)大(da)電(dian)壓(ya)。額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)越(yue)大(da)，器(qi)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)就(jiu)越(yue)高(gao)。根(gen)據(ju)實(shi)踐(jian)經(jing)驗(yan)，額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)應(ying)當(dang)大(da)於(yu)幹(gan)線(xian)電(dian)壓(ya)或(huo)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)。這(zhe)樣(yang)才(cai)能(neng)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)保(bao)護(hu)，使(shi)MOSFET不會失效。就選擇MOSFET而言，必須確定漏極至源極間可能承受的最大電壓，即最大VDS。知道MOSFET能neng承cheng受shou的de最zui大da電dian壓ya會hui隨sui溫wen度du而er變bian化hua這zhe點dian十shi分fen重zhong要yao。設she計ji人ren員yuan必bi須xu在zai整zheng個ge工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei內nei測ce試shi電dian壓ya的de變bian化hua範fan圍wei。額e定ding電dian壓ya必bi須xu有you足zu夠gou的de餘yu量liang覆fu蓋gai這zhe個ge變bian化hua範fan圍wei，確que保bao電dian路lu不bu會hui失shi效xiao。設she計ji工gong程cheng師shi需xu要yao考kao慮lv的de其qi他ta安an全quan因yin素su包bao括kuo由you開kai關guan電dian子zi設she備bei(如電機或變壓器)誘發的電壓瞬變。不同應用的額定電壓也有所不同；通常，便攜式設備為20V、FPGA電源為20～30V
、85～220VAC應用為450～600V。

 

第二步：確定額定電流　　

 

第二步是選擇MOSFET的額定電流。視電路結構而定
，該額定電流應是負載在所有情況下能夠承受的最大電流。與電壓的情況相似，設計人員必須確保所選的MOSFET能承受這個額定電流，即使在係統產生尖峰電流時。兩個考慮的電流情況是連續模式和脈衝尖峰。在連續導通模式下，MOSFET處於穩態，此時電流連續通過器件。脈衝尖峰是指有大量電湧(或尖峰電流)流過器件。一旦確定了這些條件下的最大電流，隻需直接選擇能承受這個最大電流的器件便可。　

　

選好額定電流後，還必須計算導通損耗。在實際情況下，MOSFET並不是理想的器件
，因為在導電過程中會有電能損耗

，這稱之為導通損耗。MOSFET在“導通”時就像一個可變電阻，由器件的RDS(ON)所確定
，並隨溫度而顯著變化。器件的功率耗損可由Iload2×RDS(ON)計算，由於導通電阻隨溫度變化，因此功率耗損也會隨之按比例變化。對MOSFET施加的電壓VGS越高，RDS(ON)就會越小
；反之RDS(ON)就會越高。對係統設計人員來說，這就是取決於係統電壓而需要折中權衡的地方。對便攜式設計來說

，采用較低的電壓比較容易(較為普遍)
，而對於工業設計
，可采用較高的電壓。注意RDS(ON)電阻會隨著電流輕微上升。關於RDS(ON)電阻的各種電氣參數變化可在製造商提供的技術資料表中查到。　　

 

技術對器件的特性有著重大影響，因為有些技術在提高最大VDS時往往會使RDS(ON)增大。對於這樣的技術，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那(na)麼(me)就(jiu)得(de)增(zeng)加(jia)晶(jing)片(pian)尺(chi)寸(cun)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)與(yu)之(zhi)配(pei)套(tao)的(de)封(feng)裝(zhuang)尺(chi)寸(cun)及(ji)相(xiang)關(guan)的(de)開(kai)發(fa)成(cheng)本(ben)。業(ye)界(jie)現(xian)有(you)好(hao)幾(ji)種(zhong)試(shi)圖(tu)控(kong)製(zhi)晶(jing)片(pian)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)的(de)技(ji)術(shu)，其(qi)中(zhong)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)是(shi)溝(gou)道(dao)和(he)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)技(ji)術(shu)。　　

 

在溝道技術中

，晶片中嵌入了一個深溝
，通常是為低電壓預留的
，用於降低導通電阻RDS(ON)。為了減少最大VDS對RDS(ON)的影響，開發過程中采用了外延生長柱/蝕刻柱工藝。例如，飛兆半導體開發了稱為SuperFET的技術，針對RDS(ON)的降低而增加了額外的製造步驟。

 

這種對RDS(ON)的關注十分重要，因為當標準MOSFET的擊穿電壓升高時，RDS(ON)會隨之呈指數級增加
，並且導致晶片尺寸增大。SuperFET工藝將RDS(ON)與晶片尺寸間的指數關係變成了線性關係。這樣，SuperFET器件便可在小晶片尺寸
，甚至在擊穿電壓達到600V的情況下，實現理想的低RDS(ON)。結果是晶片尺寸可減小達35%。而對於最終用戶來說
，這意味著封裝尺寸的大幅減小。

 

第三步：確定熱要求　　

 

選擇MOSFETdexiayibushijisuanxitongdesanreyaoqiu。shejirenyuanbixukaolvliangzhongbutongdeqingkuang，jizuihuaiqingkuanghezhenshiqingkuang。jianyicaiyongzhenduizuihuaiqingkuangdejisuanjieguo，yinweizhegejieguotigonggengdadeanquanyuliang，nengquebaoxitongbuhuishixiao。zaiMOSFET的資料表上還有一些需要注意的測量數據；比如封裝器件的半導體結與環境之間的熱阻，以及最大的結溫。　　

 

器件的結溫等於最大環境溫度加上熱阻與功率耗散的乘積(結溫=最大環境溫度+[熱阻×功率耗散])。根據這個方程可解出係統的最大功率耗散，即按定義相等於I2×RDS(ON)。由於設計人員已確定將要通過器件的最大電流
，因此可以計算出不同溫度下的RDS(ON)。值得注意的是，在處理簡單熱模型時
，設計人員還必須考慮半導體結/器件外殼及外殼/環境的熱容量；即要求印刷電路板和封裝不會立即升溫。　　

 

雪xue崩beng擊ji穿chuan是shi指zhi半ban導dao體ti器qi件jian上shang的de反fan向xiang電dian壓ya超chao過guo最zui大da值zhi
，並bing形xing成cheng強qiang電dian場chang使shi器qi件jian內nei電dian流liu增zeng加jia。該gai電dian流liu將jiang耗hao散san功gong率lv，使shi器qi件jian的de溫wen度du升sheng高gao，而er且qie有you可ke能neng損sun壞huai器qi件jian。半ban導dao體ti公gong司si都dou會hui對dui器qi件jian進jin行xing雪xue崩beng測ce試shi，計ji算suan其qi雪xue崩beng電dian壓ya
，或huo對dui器qi件jian的de穩wen健jian性xing進jin行xing測ce試shi。計ji算suan額e定ding雪xue崩beng電dian壓ya有you兩liang種zhong方fang法fa；一是統計法
，另一是熱計算。而熱計算因為較為實用而得到廣泛采用。不少公司都有提供其器件測試的詳情
，如飛兆半導體提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild網站去下載）。除chu計ji算suan外wai


，技ji術shu對dui雪xue崩beng效xiao應ying也ye有you很hen大da影ying響xiang。例li如ru，晶jing片pian尺chi寸cun的de增zeng加jia會hui提ti高gao抗kang雪xue崩beng能neng力li，最zui終zhong提ti高gao器qi件jian的de穩wen健jian性xing。對dui最zui終zhong用yong戶hu而er言yan
，這zhe意yi味wei著zhe要yao在zai係xi統tong中zhong采cai用yong更geng大da的de封feng裝zhuang件jian。

 

第四步：決定開關性能

　　

選擇MOSFET的最後一步是決定MOSFET的開關性能。影響開關性能的參數有很多，但最重要的是柵極/漏極

、柵極/ 源極及漏極/源極電容。這些電容會在器件中產生開關損耗，因為在每次開關時都要對它們充電。MOSFET的開關速度因此被降低，器件效率也下降。為計算開關過程中器件的總損耗，設計人員必須計算開通過程中的損耗(Eon)和關閉過程中的損耗(Eoff)。MOSFET開關的總功率可用如下方程表達：Psw=(Eon+Eoff)×開關頻率。而柵極電荷(Qgd)對開關性能的影響最大。　　

 

基於開關性能的重要性，新的技術正在不斷開發以解決這個開關問題。芯片尺寸的增加會加大柵極電荷；而這會使器件尺寸增大。為了減少開關損耗，新的技術如溝道厚底氧化已經應運而生

，旨在減少柵極電荷。舉例說，SuperFET這種新技術就可通過降低RDS(ON)和柵極電荷(Qg)，最大限度地減少傳導損耗和提高開關性能。這樣
，MOSFET就能應對開關過程中的高速電壓瞬變(dv/dt)和電流瞬變(di/dt)，甚至可在更高的開關頻率下可靠地工作。

 

 

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