眾所周知，由于采用了絕緣柵，功率MOSFET器件只需很小的驅(qū)動(dòng)功率，且開(kāi)關(guān)速度優(yōu)異?？梢哉f(shuō)具有“理想開(kāi)關(guān)”的特性。其主要缺點(diǎn)是開(kāi)態(tài)電阻(RDS(on))和正溫度系數(shù)較高。本教程闡述了高壓N型溝道功率MOSFET的特性，并為器件選擇提供指導(dǎo)。最后，解釋了Microsemi公司Advanced Power Technology (ATP) MOSFET的數(shù)據(jù)表。

功率MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1為APT N型溝道功率MOSFET剖面圖(本文只討論N型溝道MOSFET)。在柵極和源極間加正壓，將從襯底抽取電子到柵極。如果柵源電壓等于或者高于閾值電壓，柵極下溝道區(qū)域?qū)⒎e累足夠多的電子從而產(chǎn)生N型反型層；在襯底形成導(dǎo)電溝道(MOSFET被增強(qiáng))。電子在溝道內(nèi)沿任意方向流動(dòng)。電子從源極流向漏極時(shí)，產(chǎn)生正向漏極電流。溝道關(guān)斷時(shí)，正向漏極電流被阻斷，襯底與漏極之間的反偏PN結(jié)維持漏源之間的電勢(shì)差。對(duì)于N型MOSFET，正向?qū)〞r(shí)，只有電子流，沒(méi)有少子。開(kāi)關(guān)速度僅受限于MOSFET內(nèi)寄生電容的充電和放電速率。因此，開(kāi)關(guān)速率可以很快，開(kāi)關(guān)損耗很低。開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)，這讓功率MOSFET具有很高的效率。

圖1：N型溝道MOSFET剖面圖。

開(kāi)態(tài)電阻

開(kāi)態(tài)電阻RDS(on)主要受溝道、JFET(積累層)、漂移區(qū)和寄生效應(yīng)(多層金屬，鍵和線(xiàn)和封裝)等因素的影響電壓超過(guò)150V時(shí)，RDS(on)主要取決于漂移區(qū)電阻。

圖2：RDS(on)與電流的關(guān)系。

高壓MOSFET中RDS(on)?與電流的相關(guān)較弱。電流增大一倍RDS(on)僅提高了6%，見(jiàn)圖2。

圖3：RDS(on)與溫度的關(guān)系。

相反，溫度對(duì)RDS(on)的影響很大。如圖3，溫度從25℃升高到125℃，開(kāi)態(tài)電阻提高近一倍。圖3中曲線(xiàn)的斜率反映了RDS(on)的溫度系數(shù)，由于載流子僅為多子，該溫度系數(shù)永遠(yuǎn)為正。隨著溫度的升高，正溫度系數(shù)將使導(dǎo)通損耗按照I2R增大。

功率MOSFET并聯(lián)時(shí)，正的RDS(on)溫度系數(shù)可以保證熱穩(wěn)定性，這是其很好的特性。然而，不能保證各分路的電流均勻。這一點(diǎn)容易被誤解。MOSFET易于并聯(lián)正是因?yàn)槠鋮?shù)的分布狹窄，特別是RDS(on)。并且與正溫度系數(shù)相結(jié)合，可避免電流獨(dú)占。

如圖4，對(duì)于任何給定的芯片尺寸，隨著額定電壓的增大，RDS(on)也會(huì)隨之增大。

圖4：歸一化后的RDS(on)與V(BR)DSS的關(guān)系。

對(duì)于功率MOS V型和功率MOS 7型MOSFET器件，通過(guò)對(duì)額定RDS(on)與V(BR)DSS的關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬和，可發(fā)現(xiàn)RDS(on)增量與V(BR)DSS的平方成正比。這種非線(xiàn)性關(guān)系顯示了降低晶體管導(dǎo)通損耗的可能[2]。

本征和寄生參數(shù)

JFET寄生于MOSFET結(jié)構(gòu)中，見(jiàn)圖1。這對(duì)RDS(on)影響很大，并且是MOSFET正常操作的一部分。

本征襯底二極管

襯底和漏之間的PN結(jié)所形成的本征二極管稱(chēng)為體二極管(見(jiàn)圖1)。由于襯底與源極短接，無(wú)法將反向漏極電流關(guān)斷，這樣體二極管構(gòu)成了很大的電流通路。當(dāng)反向漏極電流流過(guò)時(shí)，器件導(dǎo)通損耗降低，這是由于電子流過(guò)溝道，并且電子和少數(shù)載流子流過(guò)體二極管。

本征襯底二極管對(duì)于需要反向漏極電流(通常稱(chēng)為自振蕩電流)通路的電路十分方便，例如：電橋電路。

對(duì)于這樣的電路，F(xiàn)REDFET的反向恢復(fù)特性通常都得到了改善。FREDFET是Advanced Power Technology所使用的商標(biāo)，用來(lái)區(qū)分那些采用了額外工藝步驟加快本征襯底二極管反向恢復(fù)特性的MOSFET。FREDFET中沒(méi)有使用分離的二極管；僅僅是MOSFET的本征襯底二極管。通過(guò)電子輻射(經(jīng)常使用的方法)或者摻雜鉑來(lái)控制襯底二極管中少數(shù)載流子的壽命，極大地降低了反向恢復(fù)充電和時(shí)間。

FREDFET中額外工藝帶來(lái)的負(fù)面影響是漏電流的增大，特別是高溫時(shí)。然而，考慮到MOSFET開(kāi)始工作時(shí)漏電流比較低，F(xiàn)REDFET帶來(lái)的漏電流在PN結(jié)溫度低于150℃時(shí)并不顯著。根據(jù)電子輻射劑量的不同，F(xiàn)REDFET的額定RDS(on)可能比所對(duì)應(yīng)的MOSFET還要高。FREDFET的襯底二極管正向壓降也會(huì)稍微高于所對(duì)應(yīng)的MOSFET。對(duì)于柵極充電和開(kāi)關(guān)速度，兩種器件性能相同。下文中，如無(wú)特別說(shuō)明，MOSFET這個(gè)詞既可以代表MOSFET，也可以代表FREDFET。

與分立的快恢復(fù)二極管相比，無(wú)論是MOSFET還是FREDFET，其反向恢復(fù)性能都顯得很“笨重”。對(duì)在125℃工作的硬開(kāi)關(guān)而言，由于襯底二極管反向恢復(fù)電流造成的開(kāi)關(guān)損耗比分立快恢復(fù)二極管要高出5倍。造成這種狀況的原因有兩點(diǎn)：

1．對(duì)于MOSFET或FREDFET，體二極管的面積相同，但同樣功能的分立二極管面積小很多，這樣反向恢復(fù)充電效應(yīng)減小了很多。

2．對(duì)于MOSFET或FREDFET，體二極管并沒(méi)有像分立二極管那樣對(duì)反向恢復(fù)性能進(jìn)行優(yōu)化。與常規(guī)硅二極管相似，體二極管反向恢復(fù)充電效應(yīng)以及時(shí)間是溫度，電流隨時(shí)間的變化率(di/dt)和電流的函數(shù)。體二極管正向壓降，VSD，隨溫度的變化率為2.5 mV/℃。

寄生雙極晶體管

MOSFET結(jié)構(gòu)中還寄生有NPN型雙極晶體管(BJT)，正常工作時(shí)并不會(huì)開(kāi)啟。但如果BJT開(kāi)啟并進(jìn)入飽和區(qū)，將產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)，這時(shí)只有從外部關(guān)斷漏極電流才能關(guān)斷MOSFET。閂鎖效應(yīng)產(chǎn)生大量的熱會(huì)燒毀器件。

寄生BJT的基極與MOSFET源極短接用來(lái)防止閂鎖效應(yīng)，并且如果基極懸空，會(huì)極大的降低擊穿電壓(對(duì)同樣的RDS(on)?來(lái)說(shuō))。理論上講，關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的電壓變化率(dv/dt)，這是造成閂鎖效應(yīng)的主要原因。然而，對(duì)于現(xiàn)代常規(guī)功率MOSFET，電路很難產(chǎn)生如此之高的dv/dt。

如果體二極管導(dǎo)通后反向關(guān)斷，將產(chǎn)生極高的電壓變化率(dv/dt)，這可能會(huì)造成寄生BJT開(kāi)啟。高dv/dt會(huì)在器件體區(qū)產(chǎn)生高的少數(shù)載流子(正載流子或者空穴)電流密度，體電阻上所積累的電壓足以開(kāi)啟寄生BJT。這也是為什么器件會(huì)對(duì)整流(體二極管反向恢復(fù))dv/dt峰值作限制的原因。由于降低了少數(shù)載流子壽命，F(xiàn)REDFET器件整流dv/dt峰值要高于MOSFET器件。

開(kāi)關(guān)速度

由于電容不受溫度的影響，因此開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗也同樣不受溫度影響。然而，二極管反向恢復(fù)電流卻隨著溫度提高而增大，因此，溫度效應(yīng)會(huì)對(duì)大功率電路中的外部二極管(可以是分立二極管和MOSFET或者FREDFET體二極管)造成影響，從而影響開(kāi)關(guān)損耗。

閾值電壓

閾值電壓，即VGS(th)，表示晶體管關(guān)斷時(shí)的電壓。該參數(shù)表示在閾值電壓下，漏極電流可以達(dá)到多少毫安培，因此，器件工作在開(kāi)與關(guān)的臨界狀態(tài)。閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，這意味著隨著溫度升高，閾值電壓將降低。負(fù)溫度系數(shù)會(huì)影響開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間，因此電橋電路對(duì)于死時(shí)間有要求。

圖5：傳輸特性。

a傳輸特性

圖5為APT50M75B2LL MOSFET的傳輸特性。傳輸特性依賴(lài)于溫度和漏極電流。從中可以發(fā)現(xiàn)，100安培以下，柵-源電壓是負(fù)溫度系數(shù)(給定漏極電流，隨著溫度升高，柵-源電壓降低)。而在100安培以上，溫度系數(shù)為正。柵-源電壓溫度系數(shù)和漏極電流何時(shí)從負(fù)值變?yōu)檎祵?duì)于線(xiàn)性區(qū)操作十分重要。

擊穿電壓

擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)，我們將在后面的章節(jié)討論。

短路能力

數(shù)據(jù)表中通常不會(huì)列出抗短路能力。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)功率MOSFET的抗短路能力無(wú)法與工作于高電流密度下的IGBT或者其他器件相提并論。這樣，我們通常不認(rèn)為MOSFET和FREDFET具有抗短路的能力。

數(shù)據(jù)表瀏覽

通常使用先進(jìn)探針技術(shù)(advanced probe technology，ATP)獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)選擇合適的器件并預(yù)測(cè)器件的性能。通過(guò)測(cè)試曲線(xiàn)，可以從一組工作狀態(tài)外推到另一組工作狀態(tài)。值得注意的是：測(cè)試曲線(xiàn)代表的是典型性能，而非最大或者最小的極端情況。測(cè)試得到的性能有時(shí)也或多或少的依賴(lài)于測(cè)試電路；采用不同的測(cè)試電路，得到的結(jié)果會(huì)有些許差別。

額定最大值

VDSS??C漏-源電壓

在柵源短接，工作溫度為25℃時(shí)，漏-源額定電壓(VDSS)是指漏-源未發(fā)生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據(jù)溫度的不同，實(shí)際雪崩擊穿電壓可能低于額定VDSS。關(guān)于V(BR)DSS的詳細(xì)描述請(qǐng)參見(jiàn)靜電學(xué)特性。

開(kāi)關(guān)速度

由于電容不受溫度的影響，因此開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗也同樣不受溫度影響。然而，二極管反向恢復(fù)電流卻隨著溫度提高而增大，因此，溫度效應(yīng)會(huì)對(duì)大功率電路中的外部二極管(可以是分立二極管和MOSFET或者FREDFET體二極管)造成影響，從而影響開(kāi)關(guān)損耗。

閾值電壓

閾值電壓，即VGS(th)，表示晶體管關(guān)斷時(shí)的電壓。該參數(shù)表示在閾值電壓下，漏極電流可以達(dá)到多少毫安培，因此，器件工作在開(kāi)與關(guān)的臨界狀態(tài)。閾值電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，這意味著隨著溫度升高，閾值電壓將降低。負(fù)溫度系數(shù)會(huì)影響開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)間，因此電橋電路對(duì)于死時(shí)間有要求。

PD?-總功耗

總功耗標(biāo)定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結(jié)溫和管殼溫度為25℃時(shí)熱阻的函數(shù)。

式4

線(xiàn)性降低因子與RθJC的倒數(shù)成正比。

TJ, TSTG-工作溫度和存儲(chǔ)環(huán)境溫度的范圍

這兩個(gè)參數(shù)標(biāo)定了器件工作和存儲(chǔ)環(huán)境所允許的結(jié)溫區(qū)間。設(shè)定這樣的溫度范圍是為了滿(mǎn)足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，將極大地延長(zhǎng)其工作壽命。

EAS-單脈沖雪崩擊穿能量

如果電壓過(guò)沖值(通常由于漏電流和雜散電感造成)未超過(guò)擊穿電壓，則器件不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標(biāo)定了器件可以容忍的瞬時(shí)過(guò)沖電壓的安全值，其依賴(lài)于雪崩擊穿需要消散的能量。

定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會(huì)定義額定EAS。額定雪崩擊穿能量與額定UIS具有相似的意義。EAS標(biāo)定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。

測(cè)試電路的條件在標(biāo)注中標(biāo)明，EAS等于

式5

L是電感值，iD為電感上流過(guò)的電流峰值，其會(huì)突然轉(zhuǎn)換為測(cè)量器件的漏極電流。電感上產(chǎn)生的電壓超過(guò)MOSFET擊穿電壓后，將導(dǎo)致雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生時(shí)，即使MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，電感上的電流同樣會(huì)流過(guò)MOSFET器件。電感上所儲(chǔ)存的能量與雜散電感上存儲(chǔ)，由MOSFET消散的能量類(lèi)似。

MOSFET并聯(lián)后，不同器件之間的擊穿電壓很難完全相同。通常情況是：某個(gè)器件率先發(fā)生雪崩擊穿，隨后所有的雪崩擊穿電流(能量)都從該器件流過(guò)。

EAR?-重復(fù)雪崩能量

重復(fù)雪崩能量已經(jīng)成為“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但是在沒(méi)有設(shè)定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該參數(shù)沒(méi)有任何意義。散熱(冷卻)狀況經(jīng)常制約著重復(fù)雪崩能量。對(duì)于雪崩擊穿所產(chǎn)生的能量高低也很難預(yù)測(cè)。

額定EAR的真實(shí)意義在于標(biāo)定了器件所能承受的反復(fù)雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對(duì)頻率做任何限制，從而器件不會(huì)過(guò)熱，這對(duì)于任何可能發(fā)生雪崩擊穿的器件都是現(xiàn)實(shí)的。在驗(yàn)證器件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最好可以測(cè)量處于工作狀態(tài)的器件或者熱沉的溫度，來(lái)觀(guān)察MOSFET器件是否存在過(guò)熱情況，特別是對(duì)于可能發(fā)生雪崩擊穿的器件。

IAR?-?雪崩擊穿電流

對(duì)于某些器件，雪崩擊穿過(guò)程中芯片上電流集邊的傾向要求對(duì)雪崩電流IAR進(jìn)行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規(guī)格的“精細(xì)闡述”；其揭示了器件真正的能力。

靜態(tài)電特性

V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓

V(BR)DSS（有時(shí)候叫做BVDSS）是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過(guò)漏極電流達(dá)到一個(gè)特定值時(shí)的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。

如圖8所示，V(BR)DSS是正溫度系數(shù)，溫度高時(shí)的MOSFET漏源擊穿電壓比溫度低時(shí)要大，實(shí)際上，溫度低時(shí)V(BR)DSS小于25℃時(shí)的漏源電壓的最大額定值。例如圖18，在-50℃, V(BR)DSS大約是25℃時(shí)最大漏源額定電壓的90%。

圖8.?歸一化后的雪崩擊穿電壓隨溫度的變化

VGS(th)：閾值電壓

VGS(th)是指加的柵源電壓能使漏極開(kāi)始有電流或者關(guān)斷MOSFET時(shí)停止流過(guò)電流時(shí)的電壓，測(cè)試的條件（漏極電流，漏源電壓，結(jié)溫）也是有規(guī)格的。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會(huì)有所不同。因此，VGS(th)的變化范圍是規(guī)定好的。正如前面所討論過(guò)在溫度的影響下，VGS(th)是負(fù)溫度系數(shù)，這就意味著當(dāng)溫度上升時(shí)，MOSFET將會(huì)在比較低的柵源電壓下開(kāi)啟。

RDS(on)：導(dǎo)通電阻

RDS(on)是指在特定的漏電流（通常為ID電流的一半）、柵源電壓和25℃的情況下測(cè)得的漏-源電阻，除非另有規(guī)定。

IDSS：零柵壓漏極電流

IDSS是指在當(dāng)柵源電壓為零時(shí)，在特定的漏源電壓下的漏源之間泄漏電流。既然泄漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規(guī)定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計(jì)算，通常這部分功耗可以忽略不計(jì)。

IGSS —柵源漏電流

IGSS是指在特定的柵源電壓情況下流過(guò)柵極的漏電流

動(dòng)態(tài)特性

從圖九可以看出功率管的寄生電容分布情況，電容的大小由功率管的結(jié)構(gòu)，材料和所加的電壓決定。這些電容和溫度無(wú)關(guān)，所以功率管的開(kāi)關(guān)速度對(duì)溫度不敏感（除閾值電壓受溫度影響產(chǎn)生的次生效應(yīng)外）

圖9.?功率管的電容分布圖

由于器件里的耗盡層受到了電壓影響，電容Cgs和Cgd隨著所加電壓的變化而變化。然而相對(duì)于Cgd，Cgs受電壓的影響非常小，Cgd受電壓影響程度是Cgs的100倍以上。

如圖10所示為一個(gè)從電路角度所看到的本征電容。受柵漏和柵源電容的影響，感應(yīng)到的dv/dt會(huì)導(dǎo)致功率管開(kāi)啟。

圖10.?功率管的本征電容

簡(jiǎn)單的說(shuō)，Cgd越小對(duì)由于dv/dt所導(dǎo)致的功率管開(kāi)啟的影響越少。同樣Cgs?和Cgd形成了電容分壓器，當(dāng)Cgs?與Cgd比值大到某個(gè)值的時(shí)候可以消除dv/dt所帶來(lái)的影響，閾值電壓乘以這個(gè)比值就是可以消除dv/dt所導(dǎo)致功率管開(kāi)啟的最佳因數(shù)，APT功率MOSFET在這方面領(lǐng)先這個(gè)行業(yè)。

Ciss?：輸入電容

將漏源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs并聯(lián)而成，或者

Ciss = Cgs +Cgd

當(dāng)輸入電容充電致閾值電壓時(shí)器件才能開(kāi)啟，放電致一定值時(shí)器件才可以關(guān)斷。因此驅(qū)動(dòng)電路和Ciss對(duì)器件的開(kāi)啟和關(guān)斷延時(shí)有著直接的影響。

Coss?：輸出電容

將柵源短接，用交流信號(hào)測(cè)得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd并聯(lián)而成，或者

Coss = Cds +?Cgd

對(duì)于軟開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，Coss非常重要，因?yàn)樗赡芤痣娐返闹C振

Crss?：反向傳輸電容

在源極接地的情況下，測(cè)得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同于柵漏電容。

Cres =?Cgd

反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對(duì)于開(kāi)關(guān)的上升和下降時(shí)間來(lái)說(shuō)是其中一個(gè)重要的參數(shù)，他還影響這關(guān)斷延時(shí)時(shí)間。

圖11是電容的典型值隨漏源電壓的變化曲線(xiàn).

圖11. APT50M75B2LL的電容VS電壓曲線(xiàn)

電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。

Qgs, Qgd,?和?Qg?：柵電荷

柵電荷值反應(yīng)存儲(chǔ)在端子間電容上的電荷，既然開(kāi)關(guān)的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設(shè)計(jì)柵驅(qū)動(dòng)電路時(shí)經(jīng)常要考慮柵電荷的影響。

請(qǐng)看圖12，Qgs從0電荷開(kāi)始到第一個(gè)拐點(diǎn)處，Qgd是從第一個(gè)拐點(diǎn)到第二個(gè)拐點(diǎn)之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點(diǎn)到vGS等于一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)電壓的部分。

圖12.?柵源電壓和柵電荷的函數(shù)曲線(xiàn)

漏電流和漏源電壓的變化對(duì)柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測(cè)試條件是規(guī)定好的。柵電荷的曲線(xiàn)圖體現(xiàn)在數(shù)據(jù)表中，包括固定漏電流和變化漏源電壓情況下所對(duì)應(yīng)的柵電荷變化曲線(xiàn)。在圖12中平臺(tái)電壓VGS(pl)隨著電流的增大增加的比較?。S著電流的降低也會(huì)降低）。平臺(tái)電壓也正比于閾值電壓，所以不同的閾值電壓將會(huì)產(chǎn)生不同的平臺(tái)電壓。

開(kāi)關(guān)電阻時(shí)間

完全是因?yàn)闅v史原因，這個(gè)指標(biāo)才會(huì)包括在數(shù)據(jù)表中。

td(on)?：導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間

導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流升到規(guī)定電流的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。

td(off)?：關(guān)斷延時(shí)時(shí)間

關(guān)斷延時(shí)時(shí)間是從當(dāng)柵源電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)到漏電流降至規(guī)定電流的90%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。這顯示電流傳輸?shù)截?fù)載之前所經(jīng)歷的延遲。

tr?：上升時(shí)間

上升時(shí)間是漏極電流從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間。

tf?：下降時(shí)間

下降時(shí)間是漏極電流從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。

開(kāi)關(guān)感應(yīng)能量

在現(xiàn)實(shí)的功率變換器中，由于開(kāi)關(guān)電阻數(shù)據(jù)難以反應(yīng)開(kāi)關(guān)能量，ATP很多的MOSFET和FREDFET包含了開(kāi)關(guān)感應(yīng)能量的數(shù)據(jù)。這樣對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)非常方便，他們可以直接對(duì)比MOSFET或FREDFET與另外晶體管，甚至是另一種技術(shù)的例如IGBT，或者大多數(shù)成功應(yīng)用的功率管在這方面性能。

圖13為開(kāi)關(guān)電感測(cè)試電路圖。是一種低占空比的脈沖測(cè)試，這樣可以在下一個(gè)周期來(lái)臨之前使電感的能量完全泄放，自身發(fā)熱也就可以被忽略。被測(cè)器件和嵌位二極管的溫度可以由溫度強(qiáng)制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)。

圖13.?開(kāi)關(guān)電感損耗的測(cè)試電路

下面的測(cè)試條件在一個(gè)動(dòng)態(tài)特性表格中被定義：VDD如圖13，測(cè)試電流，柵驅(qū)動(dòng)電壓，柵電阻，還有結(jié)溫。注意的是門(mén)極電阻包括驅(qū)動(dòng)?xùn)艠OIC的阻抗。大部分原因是由于測(cè)試電路中二極管的存在，開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)能耗會(huì)隨溫度變化，所以在室溫和高溫的情況下分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)測(cè)試，高溫測(cè)試時(shí)要將二極管和被測(cè)器件一起加熱。曲線(xiàn)圖也會(huì)提供開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)能耗與漏電流和門(mén)極電阻的關(guān)系曲線(xiàn)。延遲時(shí)間和電流上升下降時(shí)間與開(kāi)關(guān)電阻的定義一樣。

數(shù)據(jù)表中的實(shí)際開(kāi)關(guān)波形用于解釋被測(cè)參數(shù)的變化情況，圖14為導(dǎo)通時(shí)的波形及定義，由于實(shí)際應(yīng)用電壓和數(shù)據(jù)表中開(kāi)關(guān)能量的測(cè)試電壓之間的不同，開(kāi)關(guān)能量也會(huì)不同。例如，如果測(cè)試電壓為330伏，而應(yīng)用電壓為400伏，那么實(shí)際的開(kāi)關(guān)能量就是用數(shù)據(jù)表中的開(kāi)關(guān)能量值乘以400/330。

圖14.?導(dǎo)通波形及定義

開(kāi)關(guān)時(shí)間和能量與電路的其他器件和漏感有很大關(guān)系。二極管尤其對(duì)導(dǎo)通能量產(chǎn)生很多影響。串聯(lián)進(jìn)源極的漏感對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間和能量有明顯的影響。因此在數(shù)據(jù)表中的開(kāi)關(guān)時(shí)間和開(kāi)關(guān)能量的值和曲線(xiàn)只是典型情況，這些曲線(xiàn)有可能與實(shí)際的電源電路或馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的測(cè)試結(jié)果有所不同。

Eon?：存在二極管情況下的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通能量

Eon為嵌位電感導(dǎo)通能量包含被測(cè)器件整流二極管的反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗。注意的是FREDFET，在橋式開(kāi)關(guān)電路應(yīng)用中，由于體二極管的影響使其不能迅速關(guān)斷，所以這種情況下的導(dǎo)通能量是使用快速恢復(fù)二極管的的5倍，測(cè)試電路和圖13類(lèi)似。

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通能量是對(duì)漏電流和漏源電壓的積分，積分范圍是從漏電流上升到測(cè)試電流的5%或10%到電壓下降到測(cè)試電壓的5%區(qū)間。出于儀器分辨率的考慮，在不影響精度和可靠性前提下將積分區(qū)間設(shè)置在5%到10%的上升電流到5%的下降電壓之間，如圖14。

Eoff?：開(kāi)關(guān)關(guān)斷能量

這是嵌位電感關(guān)斷能量，圖13為測(cè)試電路，圖15為關(guān)斷波形和定義。Eoff是對(duì)漏電流和漏源電壓的積分，積分范圍是從柵源電源降至90%到漏電流達(dá)到0這個(gè)區(qū)間。測(cè)試關(guān)斷能量的方法與JEDEC（全球半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)組織）的24-1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)一致。

圖15.?關(guān)斷波形及定義

熱-機(jī)械特性

RθJC：結(jié)到管殼的熱阻

熱阻是從芯片的表面到器件外部之間的電阻，功率損失的結(jié)果是使器件自身產(chǎn)生熱量，熱阻就是要將芯片產(chǎn)生的熱量和功耗聯(lián)系起來(lái)。注意ATP的熱阻測(cè)試顯示管殼的塑料部分與金屬部分的溫度相同。

最大的RθJC值留有一定的裕度以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)工藝的變化。由于制作工藝的提高，工業(yè)上趨向于減小最大R?JC和典型值之間的裕度。通常情況下這個(gè)裕度的值不會(huì)公布。

ZθJC?：結(jié)到管殼瞬態(tài)熱阻抗

瞬態(tài)熱阻抗主要考慮的是器件的熱容，所以它可以用做評(píng)估由于瞬態(tài)功率損失所產(chǎn)生的當(dāng)前的溫度。

熱阻測(cè)試儀給被測(cè)器件提供不同占空比的脈沖，等待結(jié)溫在各脈沖之間穩(wěn)定下來(lái)。這種測(cè)試‘單脈沖’瞬態(tài)熱阻抗響應(yīng)。用這種方法我們可以擬合出電阻-電容的模型。圖16為瞬態(tài)熱阻抗RC模型。其他一些數(shù)據(jù)表中電阻電容是以并聯(lián)的形式體現(xiàn)的，但這種表示方法是錯(cuò)誤的。在圖16中，這些電容被接地，器件的值沒(méi)有變化。在這個(gè)模型中，對(duì)于中間級(jí)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有實(shí)際的物理意義。不同的電阻電容對(duì)主要是為了更好的與實(shí)際測(cè)量的熱阻數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。

圖16.?瞬態(tài)熱阻抗RC模型

為了用RC模型對(duì)溫度上升時(shí)進(jìn)行仿真，可以提供一個(gè)電流源，電流源的幅度就是MOSFET消耗的大小，于是就可以用PSPICE或其他電子仿真軟件隨意設(shè)置輸入消耗的功率大小。如圖16所示，通過(guò)調(diào)節(jié)ZEXT（由ZEXT調(diào)節(jié)到短路），就可以估算結(jié)-殼溫度上升情況。

數(shù)據(jù)表中的瞬態(tài)熱阻抗的‘全家福曲線(xiàn)’是根據(jù)RC熱阻抗模型用簡(jiǎn)單的矩形脈沖仿真得到。圖17為所舉的一個(gè)例子。對(duì)于一個(gè)矩形功率脈沖，你可以用‘全家福曲線(xiàn)’去估算溫度上升的峰值，這種方法在電源中非常常見(jiàn)。然而，由于最小脈沖寬度是10微秒，所以圖標(biāo)中只是開(kāi)關(guān)頻率小于100 kHz的情況。在更高的頻率可以簡(jiǎn)單用熱阻RθJC

圖17?熱阻抗的‘全家福曲線(xiàn)

數(shù)據(jù)表中的例子推導(dǎo)

假設(shè)在一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用中，我們想在200KHz、400V、35%平均占空比的情況下，硬開(kāi)關(guān)電流為15安培，門(mén)極電壓為15V，導(dǎo)通時(shí)門(mén)極電阻為15Ω，關(guān)斷時(shí)的門(mén)極電阻為5Ω。假設(shè)我們想讓結(jié)溫最大達(dá)到112?℃，保持殼的溫度維持在75℃。用一個(gè)耐壓500V的器件，在應(yīng)用電壓和VDSS之間只有100V的裕度。在400V的總線(xiàn)上面，這么小的裕度是足夠的，因?yàn)镸OSFET很大的雪崩擊穿能力可以使這條總線(xiàn)是安全的。它是一種連續(xù)升壓模式，因此沒(méi)必要用有更快反向恢復(fù)體二極管的FREDFET；用MOSFET的效果也將會(huì)很好。你會(huì)選那種器件呢？

既然是一個(gè)關(guān)于高頻的應(yīng)用，功率MOS 7型將是最好的選擇，讓我們看一下APT50M75B2LL，它的電流能力為57A，比所需開(kāi)關(guān)電流的3倍還多，在高頻開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)的考慮中應(yīng)該是優(yōu)先考慮的。我們將會(huì)估算傳輸損耗，開(kāi)關(guān)損耗，和要看是否產(chǎn)生的熱量可以快速散發(fā)掉?？偣牡挠?jì)算公式為

在112℃時(shí)的RDS(on)是室溫下的1.8倍（參照?qǐng)D3）。所以傳輸損耗為Pconduction =1.8-0.075Ω：15A：0.35 =10.6W

對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗，我們可以在圖18中看到在125℃下開(kāi)關(guān)損耗和電流的關(guān)系圖。即使我們應(yīng)用的要求最大值為112℃結(jié)溫，這個(gè)圖表已經(jīng)足夠能滿(mǎn)足需要，因?yàn)殡娐分谐硕O管對(duì)溫度比較敏感外，MOSFET的開(kāi)關(guān)能量受溫度影響比較小，所以在112℃?和?125℃之間將不會(huì)發(fā)生大的變化。在任何情況下，我們都是在進(jìn)行保守的估算。

圖18. APT50M75B2LL的感應(yīng)開(kāi)關(guān)損耗

從圖18可以看出，在15A時(shí)，Eon大約為300 μJ, Eoff大約為100 μJ。這些是在330V的情況下測(cè)試得到。而我們的應(yīng)用電壓為400V。所以開(kāi)關(guān)能量可以計(jì)算為：

圖18中的數(shù)據(jù)是在導(dǎo)通時(shí)門(mén)極電阻為15Ω和關(guān)斷時(shí)的門(mén)極電阻為5Ω的情況下測(cè)得。所以我們可以得到開(kāi)關(guān)能量隨門(mén)極電阻變化曲線(xiàn)。如圖19.

圖19.?開(kāi)關(guān)能量?VS?門(mén)極電阻

即使圖19中測(cè)試電流比我們應(yīng)用電流要大，對(duì)于我們的情況，開(kāi)關(guān)能量可以從圖19中按一定比例得到。從5Ω?到?15 Ω，Eon變化的系數(shù)為1.2（大約1500μJ / 1250μJ，在圖19中可以看到）。電壓的修正數(shù)據(jù)可以查看圖18，我們得到Eon =1.2-364μJ = 437μJ

開(kāi)關(guān)損耗為

Pswitch = fswitch：( Eon + Eoff) = 200kHz-(437μJ +121μJ) = 112W

Pconduction +Pswitch = 123W ,這個(gè)數(shù)據(jù)在要求結(jié)溫小于112℃，殼溫75℃的范圍之內(nèi)。所以APT50M70B2LL滿(mǎn)足這個(gè)應(yīng)用例子的要求。用同樣的計(jì)算方法可以看看是否小一點(diǎn)的MOSFET可以滿(mǎn)足要求。實(shí)際應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)損耗要比單個(gè)器件的損耗要高的多。為了保持殼溫為75℃，可以在殼和散熱片之間使用用陶瓷結(jié)構(gòu)（用于電隔離）。MOSFET的優(yōu)勢(shì)在于它的諧振緩沖特性技術(shù)，可以不用擔(dān)心電壓和溫度對(duì)MOSFET的影響，減小開(kāi)關(guān)損耗。

審核編輯：湯梓紅