探究 onsemi FCP190N65S3 650V N 溝道 MOSFET 特性與應(yīng)用

引言

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，功率 MOSFET 扮演著至關(guān)重要的角色。它們廣泛應(yīng)用于各種電源管理和功率轉(zhuǎn)換電路中。本次要深入探討的是 onsemi 公司的 FCP190N65S3 650V N 溝道 MOSFET，這款產(chǎn)品屬于 SUPERFET III 系列，在性能和應(yīng)用方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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產(chǎn)品概述

技術(shù)亮點(diǎn)

FCP190N65S3 采用了 onsemi 全新的高壓超結(jié)（SJ）MOSFET 技術(shù)，利用電荷平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了出色的低導(dǎo)通電阻和低柵極電荷性能。這種先進(jìn)技術(shù)能夠有效降低傳導(dǎo)損耗，提供卓越的開(kāi)關(guān)性能，并能承受極高的 dv/dt 速率，這對(duì)于許多對(duì)開(kāi)關(guān)速度和穩(wěn)定性有要求的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。

特性總結(jié)

• 高耐壓：在 (T_{J}=150^{circ} C) 時(shí)可承受 700V 電壓。
• 低導(dǎo)通電阻：典型 (R_{DS(on)} = 159 mOmega)，有助于減少功率損耗，提高效率。
• 超低柵極電荷：典型 (Q_{g}=33 nC)，可以降低驅(qū)動(dòng)功率，提高開(kāi)關(guān)速度。
• 低有效輸出電容：典型 (C_{oss(eff.)}=300 pF)，對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗有積極影響。
• 雪崩測(cè)試：經(jīng)過(guò) 100% 雪崩測(cè)試，保證了在極端情況下的可靠性。
• 環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)：該器件為無(wú)鉛產(chǎn)品，符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用領(lǐng)域

FCP190N65S3 適用于多種電源相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景，包括：

• 計(jì)算/顯示電源：為計(jì)算機(jī)和顯示器提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，其低損耗特性有助于提高電源效率。
• 電信/服務(wù)器電源：在電信和服務(wù)器領(lǐng)域，對(duì)電源的穩(wěn)定性和可靠性要求極高，該 MOSFET 能夠滿足這些需求。
• 工業(yè)電源：工業(yè)環(huán)境通常較為惡劣，需要電源具備高耐壓和高可靠性，F(xiàn)CP190N65S3 可以勝任。
• 照明/充電器/適配器：在照明、充電器和適配器等設(shè)備中，其高效的開(kāi)關(guān)性能有助于提高設(shè)備的整體性能。

關(guān)鍵參數(shù)分析

絕對(duì)最大額定值

需要注意的是，超過(guò)這些最大額定值可能會(huì)損壞器件，影響其功能和可靠性。

電氣特性

關(guān)斷特性

• 漏源擊穿電壓 (B{V{DSS}}): 在 (V{GS}=0 V)，(I{D}=1 mA)，(T{J}=25^{circ} C) 時(shí)為 650V；在 (T{J}=150^{circ} C) 時(shí)為 700V。
• 擊穿電壓溫度系數(shù)：(Delta B{V{DSS}} / Delta T_{J}) 為 0.6 V/°C。
• 零柵壓漏極電流 (I_{loss}): 在 (V{DS}=650 V)，(V{GS}=0 V) 時(shí)最大為 1 μA。

導(dǎo)通特性

• 柵極閾值電壓 (V_{GS(th)}): 在 (V{GS}=V{DS})，(I_{D}=0.39 mA) 時(shí)，范圍為 2.5 - 4.5V。
• 靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻 (R_{DS(on)}): 在 (V{GS} = 10 V)，(I{D}=8.5 A) 時(shí)，典型值為 159 mΩ，最大值為 190 mΩ。
• 正向跨導(dǎo) (g_{Fs}): 在 (V{DS}=20 V)，(I{D}=8.5 A) 時(shí)為 10 S。

動(dòng)態(tài)特性

• 輸入電容 (C_{iss}): 在 (V{DS}=400 V)，(V{GS}=0 V)，(f = 1 MHz) 時(shí)為 1350 pF。
• 輸出電容 (C_{oss}): 為 30 pF。
• 有效輸出電容 (C_{oss(eff.)}): 在 (V{DS}) 從 0V 到 400V，(V{GS}=0 V) 時(shí)為 300 pF。
• 總柵極電荷 (Q_{g(tot)}): 在 (V{DS}=400 V)，(I{D}=8.5 A)，(V_{GS}=10 V) 時(shí)為 33 nC。

開(kāi)關(guān)特性

• 導(dǎo)通延遲時(shí)間 (t_{d(on)}): 在 (V{DD}=400 V)，(I{D}=8.5 A)，(V{GS}=10 V)，(R{g}=4.7Omega) 時(shí)為 20 ns。
• 導(dǎo)通上升時(shí)間 (t_{r}): 為 22 ns。
• 關(guān)斷延遲時(shí)間 (t_{d(off)}): 為 57 ns。
• 關(guān)斷下降時(shí)間 (t_{f}): 為 16 ns。

源 - 漏二極管特性

• 最大連續(xù)源 - 漏二極管正向電流 (I_{S}): 為 17 A。
• 最大脈沖源 - 漏二極管正向電流 (I_{SM}): 為 42.5 A。
• 源 - 漏二極管正向電壓 (V_{SD}): 在 (V{GS}=0V)，(I{SD}=8.5A) 時(shí)為 1.2 V。
• 反向恢復(fù)時(shí)間 (t_{rr}): 在 (V{DD}=400V)，(I{SD}=8.5A)，(dI_{F} / dt = 100 A / μs) 時(shí)為 313 ns。
• 反向恢復(fù)電荷 (Q_{rr}): 為 4.9 μC。

典型性能曲線分析

導(dǎo)通區(qū)域特性

從導(dǎo)通區(qū)域特性曲線（圖 1）可以看出，不同的柵源電壓 (V{GS}) 下，漏極電流 (I{D}) 隨漏源電壓 (V_{DS}) 的變化情況。這有助于工程師了解在不同工作條件下器件的導(dǎo)通性能，從而合理選擇工作點(diǎn)。

轉(zhuǎn)移特性

轉(zhuǎn)移特性曲線（圖 2）展示了在不同溫度下，漏極電流 (I{D}) 與柵源電壓 (V{GS}) 的關(guān)系。溫度對(duì)轉(zhuǎn)移特性有一定影響，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮溫度因素對(duì)器件性能的影響。

導(dǎo)通電阻變化

導(dǎo)通電阻 (R{DS(on)}) 隨漏極電流 (I{D}) 和柵源電壓 (V_{GS}) 的變化曲線（圖 3）表明，導(dǎo)通電阻會(huì)隨著電流和電壓的變化而改變。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的電流和電壓要求來(lái)評(píng)估導(dǎo)通電阻對(duì)功率損耗的影響。

體二極管正向電壓變化

體二極管正向電壓 (V{SD}) 隨源電流 (I{S}) 和溫度的變化曲線（圖 4），可以幫助工程師了解體二極管在不同工作條件下的正向?qū)ㄌ匦裕瑢?duì)于需要考慮體二極管導(dǎo)通情況的應(yīng)用場(chǎng)景非常有用。

電容特性

電容特性曲線（圖 5）展示了輸入電容 (C{iss})、輸出電容 (C{oss}) 和反饋電容 (C{rss}) 隨漏源電壓 (V{DS}) 的變化情況。這些電容參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)損耗有重要影響，工程師在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路時(shí)需要充分考慮。

柵極電荷特性

柵極電荷特性曲線（圖 6）顯示了總柵極電荷 (Q{g}) 與柵源電壓 (V{GS}) 的關(guān)系。了解柵極電荷特性有助于設(shè)計(jì)合適的柵極驅(qū)動(dòng)電路，以實(shí)現(xiàn)快速、高效的開(kāi)關(guān)操作。

擊穿電壓和導(dǎo)通電阻隨溫度變化

擊穿電壓 (B{V{DSS}}) 和導(dǎo)通電阻 (R{DS(on)}) 隨結(jié)溫 (T{J}) 的變化曲線（圖 7 和圖 8）表明，溫度對(duì)這兩個(gè)參數(shù)有顯著影響。在高溫環(huán)境下，需要特別關(guān)注器件的耐壓和導(dǎo)通電阻變化，以確保電路的穩(wěn)定性。

最大安全工作區(qū)

最大安全工作區(qū)曲線（圖 9）定義了器件在不同脈沖寬度和漏源電壓下的最大允許漏極電流。工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保器件的工作點(diǎn)在最大安全工作區(qū)內(nèi)，以避免器件損壞。

最大漏極電流與殼溫關(guān)系

最大漏極電流 (I{D}) 與殼溫 (T{C}) 的關(guān)系曲線（圖 10）顯示，隨著殼溫的升高，最大允許的連續(xù)漏極電流會(huì)降低。在散熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)這個(gè)特性來(lái)合理規(guī)劃散熱方案，以保證器件在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

(E_{oss}) 與漏源電壓關(guān)系

(E{oss}) 與漏源電壓 (V{DS}) 的關(guān)系曲線（圖 11）展示了輸出電容存儲(chǔ)的能量隨漏源電壓的變化情況。這對(duì)于評(píng)估開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗和設(shè)計(jì)合適的緩沖電路有重要意義。

瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線

瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線（圖 12）描述了在不同占空比下，歸一化有效瞬態(tài)熱阻隨脈沖持續(xù)時(shí)間的變化情況。這對(duì)于分析器件在脈沖工作模式下的熱性能非常有用，工程師可以根據(jù)這個(gè)曲線來(lái)評(píng)估器件在不同工作條件下的熱穩(wěn)定性。

測(cè)試電路與波形

文檔中還給出了多種測(cè)試電路和波形圖，包括柵極電荷測(cè)試電路（圖 13）、電阻性開(kāi)關(guān)測(cè)試電路（圖 14）、非鉗位電感開(kāi)關(guān)測(cè)試電路（圖 15）和峰值二極管恢復(fù) dv/dt 測(cè)試電路（圖 16）。這些測(cè)試電路和波形圖為工程師提供了實(shí)際測(cè)試和驗(yàn)證器件性能的參考。

機(jī)械封裝與尺寸

FCP190N65S3 采用 TO - 220 封裝，文檔詳細(xì)給出了該封裝的尺寸信息，包括各個(gè)引腳和外殼的具體尺寸范圍。在進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要根據(jù)這些尺寸信息來(lái)合理布局器件，確保引腳連接正確，同時(shí)考慮到散熱和空間等因素。

總結(jié)與思考

onsemi 的 FCP190N65S3 650V N 溝道 MOSFET 憑借其先進(jìn)的技術(shù)和出色的性能，在電源管理和功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。其低導(dǎo)通電阻、低柵極電荷和高耐壓等特性使其能夠滿足多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要充分考慮器件的各種參數(shù)和特性，特別是溫度對(duì)性能的影響，合理設(shè)計(jì)電路和散熱方案，以確保器件在安全、穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。大家在使用這款 MOSFET 時(shí)，有沒(méi)有遇到過(guò)一些特殊的問(wèn)題或者挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。