MOSFET 是开关电源中的重要元器件,也是比较难掌握的元器件之一,尤其在 LLC,LCC 软开关的设计中,对于 MOSFET 元器件本身的理解尤其重要,理解透彻了,也就应用自如了。本文会从理论上对 MOSFET 的重要设计参数进行介绍。

 

1. 功率损耗

MOSFET 的功率损耗主要受限于 MOSFET 的结温,基本原则就是任何情况下,结温不能超过规格书里定义的最高温度。而结温是由环境温度和 MOSFET 自身的功耗决定的。下图是典型的功率损耗与 MOSFET 表面结温(Case temp.)的曲线图。

 

 

一般 MOSFET 的规格书里面会定义两个功率损耗参数,一个是归算到芯片表面的功率损耗,另一个是归算到环境温度的功率损耗。这两个参数可以通过如下两个公式获得,重点强调一点,与功耗温度曲线密切相关的重要参数热阻,是材料和尺寸或者表面积的函数。随着结温的升高,允许的功耗会随之降低。

 

 

根据最大结温和热阻,可以推算出 MOSFET 可以允许的最大功耗。

 

 

归算到环境温度的热阻是布板,散热片和散热面积的函数,如果散热条件良好,可以极大提升 MOSFET 的功耗水平。

 

2. 漏极(沟道)电流

规格书中会定义最大持续漏极电流和最大脉冲电流,如下图。一般规格书中最大脉冲电流会定义在最大持续电流的 4 倍,并且随着脉冲宽度的增加,最大脉冲电流会随之减少,主要原因就是 MOSFET 的温度特性,这一点可以从之后讲到的安全工作区图形中清楚看到。

 

 

理想情况下,理论上最大持续电流只依赖于最大功耗,此时最大持续电流可以通过功率公式(P=I^2 R)推算出。如下式:

 

 

然而实际中,其他条件会限制理论上计算出来的最大持续电流,比如铜线直径,芯片工艺与组装水平等。比如上式中计算的最大持续电流为 169A,但是考虑到其他约束条件,实际只能达到 100A。所以制造商的工艺水平某种程度上决定了设计余量,知名厂商往往强项就在于此。下图就是实际的持续电流与结温的关系曲线图,脉冲电流是由安全工作区决定的。

 

 

3. 安全工作区

安全工作区可以说是 MOSFET 最重要的数据,也是设计者最重要的设计参考。下图是典型的安全工作区图形。

 

 

由上图可知,MOSFET 的 SOA 实际上有 5 条限制线,这 5 条限制线决定了 SOA 的区域。细节如下图:

 

1)Rdson 限制线

Rdson 限制线是 Vds 和 Ids 的函数,这天直线的斜率就是 MOSFET 的最大 Rdson(Vgs=10V, Tj=150℃),因此 Rdson 限制线可以由下式给出:

 

 

由上式可知:

因为随着 Vgs 降低 Rdson 会增加,因此对于较低的 Vgs,Rdson 限制线会向下移动。

 

因为 Rdson 会随着 Tj 的降低而增大,因此对于 Tj 小于 150C 的情况,Rdson 会向上移动。

 

2)封装限制线

当顺着 Rdson 向着更大电压和电流的方向移动就会到达封装限制线。不同封装的 MOSFET 和工艺水平决定了这条线的水平。封装限制线并不随着温度变化而变化。

 

3)最大功率限制线

封装限制线之后就是最大功率限制线,这条线的规则就是 MOSFET 功耗产生的温升加上 25C 不能超过 MOSFET 的最大结温,比如 150C。MOSFET 的散热条件对这条限制线影响很大,因此与温度相关的变量,比如热阻,Tc 和功耗也就限制了应用。

 

 

可以得出:

Ids 受限于最大结温 Tj,最大允许温升是由 Tj 和 Tc 之差决定的。

 

Ids 受限于热阻 ZthJC 的影响,脉冲情况下的 ZthJC 是由脉冲长度与占空比决定的。

 

4)温度稳定(不稳定)限制线

跟随者最大功率限制线就是温度不稳定限制线,这条限制线是设计者比较容易忽视的限制线。要深入理解此条限制线,需要理解 MOSFET 温度不稳定的条件是什么。MOSFET 温度达不到稳定状态,意味着随着温度的变化,MOSFET 产生的功耗快于 MOSFET 耗散的功耗。也就是如下公式:

 

 

在这样的条件下,MOSFET 的温度达不到稳定状态,进一步分析公式:

 

 

由此得出:

 

 

通常情况下,Vds 可以认为随着温度变化基本不变,Ids/T 称为温度系数。由于 Vds>0, 1/ZthJC(tpulse)>0, 因此如果发生不稳定,也就是上式要成立,有且只有温度系数 Ids/T>0 才有可能发生。但是怎么从 MOSFET 的规格书中得到这一信息那?大多数规格书中并不会直接给出这个温度系数的。但是可以从其他曲线中推导出来。比如规格书中 Ids over Vgs 的曲线(不同温度下)。举例说明,如下图所示,分别画出了在 25C Tj 和 150C Tj 情况下的曲线。由图中可以看出,Vgs=2.5V 下,Ids 随着温度的增加而增加,也就意味着 Vgs=2.5V 下,温度系数为正。在 Vgs=3.5V 下,Ids 随着温度的增加而减小,也就意味着 Vgs=3.5V 下,温度系数为负。25C 曲线和 150C 曲线的交叉点被称为零温度系数点(ZTC),很显然,只要 Vgs 小于 ZTC 交叉点,就会发生温度的不稳定。

 

 

温度系数由正温度系数变为负温度系数理论上是两个参数互相竞争的结果。一方面 Rdson 随着温度的升高而变大,另一方面 Vth 随着温度的升高而减小,在温度较高的时候,Rdson 起主导,因此温度升高,电流减小。温度较低的时候,Vth 起主导。温度升高,电流升高。

 

温度的不稳定区域发生在 Vgs 小于 ZTC 对应的临界点,ZTC 是 MOSFET 跨导的函数,MOSFET 的跨导越大,ZTC 对应的 Vgs 也越高。而现在的 MOSFET 的工艺,尤其是 CoolMos 或者 DTMOS,跨导会越来越大,因此对于 Vgs 的设计也至关重要。

 

5)击穿电压限制线

SOA 的右半面就是击穿电压限制线,也就是 BVDSS。BVDSS 是 Tj 的函数,这一点要格外注意,尤其在低温应用的时候,BVDSS 会衰减,确保低温下,电压应力满足要求。

 

4. 最大瞬态热阻抗 -ZthJC

热阻抗由两部分构成,一部分是热态电阻 Rth,另一部分是热态电容 Cth。

 

RthJC 是从芯片的结到达表面的热阻,这个路径决定了芯片本身的温度(功耗、热阻、Tc)。

 

ZthJC 同时也考虑了 Cth 无功功率带来的温度影响。这个参数通常用来计算由瞬态功耗带来的温度累加。

 

 

5. 典型输出特性

MOSFET 的典型输出特性描绘了漏极电流 Id 在常温下与 Vds 和 Vgs 的关系。

 

 

对于 MOSFET 工作于开关的应用,应该使得 MOSFET 工作在“ohmic”区域,划分 ohmic 区域与饱和区域的临界线是由 Vds=Vgs-Vgs(th)决定的。

6. Rds(on)

Rds(on)是漏极电流 Id 的函数,由 MOSFET 的典型应用曲线以及欧姆定律可以得到:

 

 

 

从曲线可以看出,Vgs 对于 Rds(on)起着至关重要的作用,对于 MOSFET,一定要使得 MOSFET 彻底开通,不能设计在欠驱动状态。一般而言,对于功率型 MOSFET,10V 的驱动电压是比较推荐的。

 

另外 Rds(on)也是 Tj 的函数,一般可用如下公式进行计算:

 

 

a 是依赖于沟道技术参数,工艺和使用技术定下来,a 是常量。比如英飞凌的 OptiMOS 功率 MOSFET, a 可以取值 0.4。

 

 

7. 跨导

跨导反映了漏极电流 Id 对于 Vgs 变异的敏感程度。

 

 

 

对于应用 MOSFET 做自激谐振的线路里面,跨导参数的大小起着重要的作用。

 

8. 门极门槛电压 Vth

门槛电压 Vth 定义在出现指定的漏极电流下的驱动电压。MOSFET 的量产线上,Vth 是在 25C 温度下,Vds=Vgs,漏极电流是 uA 级别下测量的。

 

门槛电压会随着温度的升高而减小,如下图所示:

 

 

9. 寄生电容

MOSFET 的寄生电容由三类,它们分别是门极源极电容,门极漏极电容以及漏极源极电容。这些电容不能直接测量到,它们是通过测量输入、输出和反向传输电容等参数然后计算得到。这三类寄生电容之间的关系如下:

 

 

这三类电容是漏源电压(Vds)的函数,它们会随着 Vds 的变化而变化,主要原因在于当 Vds 变化时,沟道的空间大小会随着改变,因此寄生电容也就随之改变。

 

 

10. 反向二极管特性

MOSFET 都有一个寄生的反向二极管,这个二极管的相关参数会有 MOSFET 的规格书给出,如下:

 

 

二极管正向持续电流:最大允许的正向持续电流,定义在 25C,通常这个电流等于 MOSFET 的最大持续电流。

 

二极管脉冲电流:最大允许的最大脉冲电流,通常这个电流等于 MOSFET 的最大脉冲电流。

 

二极管正向压降:二极管导通时,在规定的 IF 下测到的 MOSFET 源漏极间压降。

 

反向恢复时间:反向恢复电荷完全移除所需要的时间。

 

反向恢复电荷:二极管导通期间存储在二极管中的电荷。二极管完全恢复到阻断状态之前需要移除这些存储的电荷。开 关是电流变化的速率越大(di/dt),存储的反向恢复电荷就越多。

 

其中反向恢复时间 trr 是设计 LCC,LLC 谐振线路拓扑中需要重点看的参数之一,原因在于基本所有的 LCC 和 LLC 谐振线路,在启动过程中,前几个周期都会存在二极管反向恢复过程中另一个 MOSFET 已经开通,这个时候就会通过很大的 di/dt,如果寄生的反向二极管能力不够,MOSFET 就会击穿而失效。

 

另外寄生二极管的正向电流 If 是源漏电压 Vsd 的函数,如下:

 

 

11. Avalanche 特性

脉冲 avalanche 电流大小 Iav 与脉冲 avalanche 时间 tav 的关系如下图:

 

 

Avalanche 电流于 avalache 时间是由 MOSFET 的最大结温以及 avalanche 能量限定的。Avalanche 的脉冲宽度长,允许的 avalanche 的电流就越小。

 

 

12. 源漏击穿电压

源漏击穿电压是 Tj 的函数,这个特性往往被设计者忽略,尤其产品设计是宽温的应用情况,需要考虑 MOSFET 低温下击穿电压的 derating。

 

 

13. 典型的门极驱动

以下是典型的门极驱动波形:

 

 

14. 开关特性

下表列示了典型的 MOSFET 规格书中定义的开关时间:

 

 

具体开关时间的定义如下图: