如何理解MOSFET关键指标?
2021-06-24

一位工程师曾经对我讲,他从来不看MOSFET数据表的第一页,因为“实用”的信息只在第二页以后才出现。事实上,MOSFET数据表上的每一页都包含有对设计者非常有价值的信息。但人们不是总能搞得清楚该如何解读制造商提供的数据。本文概括了一些MOSFET的关键指标,这些指标在数据表上是如何表述的,以及你理解这些指标所要用到的清晰图片。像大多数电子器件一样,MOSFET也受到工作温度的影响。所以很重要的一点是了解测试条件,所提到的指标是在这些条件下应用的。还有很关键的一点是弄明白你在“产品简介”里看到的这些指标是“最大”或是“典型”值,因为有些数据表并没有说清楚。


电压等级


确定MOSFET的首要特性是其漏源电压VDS,或“漏源击穿电压”,这是在栅极短路到源极,漏极电流在250μA情况下,MOSFET所能承受的保证不损坏的最高电压。VDS也被称为“25℃下的绝对最高电压”,但是一定要记住,这个绝对电压与温度有关,而且数据表里通常有一个“VDS温度系数”。你还要明白,最高VDS是直流电压加上可能在电路里存在的任何电压尖峰和纹波。例如,如果你在电压30V并带有100mV、5ns尖峰的电源里使用30V器件,电压就会超过器件的绝对最高限值,器件可能会进入雪崩模式。在这种情况下,MOSFET的可靠性没法得到保证。


在高温下,温度系数会显著改变击穿电压。例如,一些600V电压等级的N沟道MOSFET的温度系数是正的,在接近最高结温时,温度系数会让这些MOSFET变得象650V MOSFET。很多MOSFET用户的设计规则要求10%~20%的降额因子。在一些设计里,考虑到实际的击穿电压比25℃下的额定数值要高5%~10%,会在实际设计中增加相应的有用设计裕量,对设计是很有利的。


对正确选择MOSFET同样重要的是理解在导通过程中栅源电压VGS的作用。这个电压是在给定的最大RDS(on)条件下,能够确保MOSFET完全导通的电压。这就是为什么导通电阻总是与VGS水平关联在一起的原因,而且也是只有在这个电压下才能保证器件导通。一个重要的设计结果是,你不能用比用于达到RDS(on)额定值的最低VGS还要低的电压,来使MOSFET完全导通。例如,用3.3V微控制器驱动MOSFET完全导通,你需要用在VGS= 2.5V或更低条件下能够导通的MOSFET。


导通电阻,栅极电荷,以及“优值系数”


MOSFET的导通电阻总是在一个或多个栅源电压条件下确定的。最大RDS(on)限值可以比典型数值高20%~50%。RDS(on)最大限值通常指的25℃结温下的数值,而在更高的温度下,RDS(on)可以增加30%~150%,如图1所示。由于RDS(on)随温度而变,而且不能保证最小的电阻值,根据RDS(on)来检测电流不是很准确的方法。   
图1 RDS(on)在最高工作温度的30%~150%这个范围内随温度增加而增加


导通电阻对N沟道和P沟道MOSFET都是十分重要的。在开关电源中,Qg是用在开关电源里的N沟道MOSFET的关键选择标准,因为Qg会影响开关损耗。这些损耗有两个方面影响:一个是影响MOSFET导通和关闭的转换时间;另一个是每次开关过程中对栅极电容充电所需的能量。要牢记的一点是,Qg取决于栅源电压,即使用更低的Vgs可以减少开关损耗。


作为一种快速比较准备用在开关应用里MOSFET的方式,设计者经常使用一个单数公式,公式包括表示传导损耗RDS(on)及表示开关损耗的Qg:RDS(on) xQg。这个“优值系数”(FOM)总结了器件的性能,可以用典型值或最大值来比较MOSFET。要保证在器件中进行准确的比较,你需要确定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS,在公示里典型值和最大值没有碰巧混在一起。较低的FOM能让你在开关应用里获得更好的性能,但是不能保证这一点。只有在实际的电路里才能获得最好的比较结果,在某些情况下可能需要针对每个MOSFET对电路进行微调。


额定电流和功率耗散


基于不同的测试条件,大多数MOSFET在数据表里都有一个或多个的连续漏极电流。你要仔细看看数据表,搞清楚这个额定值是在指定的外壳温度下(比如TC = 25℃),或是环境温度(比如TA = 25℃)。这些数值当中哪些是最相关将取决于器件的特性和应用(见图2)。 

图2  全部绝对最大电流和功率数值都是真实的数据


对于用在手持设备里的小型表面贴装器件,关联度最高的电流等级可能是在70℃环境温度下的电流,对于有散热片和强制风冷的大型设备,在TA = 25℃下的电流等级可能更接近实际情况。对于某些器件来说,管芯在其最高结温下能够处理的电流要高于封装所限定的电流水平,在一些数据表,这种“管芯限定”的电流等级是对“封装限定”电流等级的额外补充信息,可以让你了解管芯的鲁棒性。


对于连续的功率耗散也要考虑类似的情况,功耗耗散不仅取决于温度,而且取决于导通时间。设想一个器件在TA= 70℃情况下,以PD=4W连续工作10秒钟。构成“连续”时间周期的因素会根据MOSFET封装而变化,所以你要使用数据表里的标准化热瞬态阻抗图,看经过10秒、100秒或10分钟后的功率耗散是什么样的。如图3所示,这个专用器件经过10秒脉冲后的热阻系数大约是0.33,这意味着经过大约10分钟后,一旦封装达到热饱和,器件的散热能力只有1.33W而不是4W,尽管在良好冷却的情况下器件的散热能力可以达到2W左右。  
图3   MOSFET在施加功率脉冲情况下的热阻  实际上,我们可以把MOSFET选型分成四个步骤。


第一步:选用N沟道还是P沟道 


为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中,当一个MOSFET接地,而负载连接到干线电压上时,该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中,应采用N沟道MOSFET,这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时,就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET,这也是出于对电压驱动的考虑。


要选择适合应用的器件,必须确定驱动器件所需的电压,以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压,或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大,器件的成本就越高。根据实践经验,额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护,使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言,必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压,即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围,确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同;通常,便携式设备为20V、FPGA电源为20~30V、85~220VAC应用为450~600V。 


第二步:确定额定电流  


第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定,该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似,设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流,即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下,MOSFET处于稳态,此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流,只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。  


选好额定电流后,还必须计算导通损耗。在实际情况下,MOSFET并不是理想的器件,因为在导电过程中会有电能损耗,这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻,由器件的RDS(ON)所确定,并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算,由于导通电阻随温度变化,因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高,RDS(ON)就会越小;反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说,这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说,采用较低的电压比较容易(较为普遍),而对于工业设计,可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。   技术对器件的特性有着重大影响,因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术,如果打算降低VDS和RDS(ON),那么就得增加晶片尺寸,从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术,其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。


在沟道技术中,晶片中嵌入了一个深沟,通常是为低电压预留的,用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响,开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如,飞兆半导体开发了称为SuperFET的技术,针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。 这种对RDS(ON)的关注十分重要,因为当标准MOSFET的击穿电压升高时,RDS(ON)会随之呈指数级增加,并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样,SuperFET器件便可在小晶片尺寸,甚至在击穿电压达到600V的情况下,实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说,这意味着封装尺寸的大幅减小。 


第三步:确定热要求


选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况,即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果,因为这个结果提供更大的安全余量,能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据;比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻,以及最大的结温。   器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散,即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流,因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是,在处理简单热模型时,设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量;即要求印刷电路板和封装不会立即升温。  


雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值,并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率,使器件的温度升高,而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试,计算其雪崩电压,或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法;一是统计法,另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其器件测试的详情,如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”( Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild网站去下载)。除计算外,技术对雪崩效应也有很大影响。例如,晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力,最终提高器件的稳健性。对最终用户而言,这意味着要在系统中采用更大的封装件。 


第四步:决定开关性能


选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多,但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗,因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低,器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗,设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达:Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。   基于开关性能的重要性,新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷;而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗,新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生,旨在减少栅极电荷。举例说,SuperFET这种新技术就可通过降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg),最大限度地减少传导损耗和提高开关性能。这样,MOSFET就能应对开关过程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt),甚至可在更高的开关频率下可靠地工作。 

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