电源管理小技巧：功率 MOSFET 特性

以Vishay SiE848DF的数据手册图作为参考示例，这是一款采用 PolarPAK® 封装的 N 沟道 30 V 沟槽功率 MOSFET。MOSFET 的封装限制为 60A 和 25°C。

阻断电压是多少？

阻断电压 BVDSS 是可以施加到 MOSFET 的最大电压。当驱动感性负载时，这包括施加的电压加上任何感性感应电压。对于感性负载，MOSFET 两端的电压实际上可以是施加电压的两倍。

MOSFET 的雪崩特性是什么？

这决定了 MOSFET 在雪崩条件下可以承受多少能量。如果超过最大漏源电压并且电流冲过器件，则会发生雪崩。雪崩值越高，设备越坚固。雪崩条件可能导致两种可能的故障模式，从而破坏 MOSFET。最具破坏性的是“双极闭锁”，如果器件电流在其内部器件电阻上引起电压降，从而导致晶体管动作和 MOSFET 寄生双极结构的闭锁。第二种故障模式是热故障模式，如果雪崩条件使器件温度升高到其最高结温以上，就会发生这种情况。

Trench 技术提供接近行业领先的平面技术的雪崩能力。为了确保令人满意的性能，该技术中的器件可以针对最高结温的单脉冲雪崩能量 （EAS） 进行全面表征。EAS 越高，设备越坚固。一些设备是根据 EAR（重复雪崩能量）进行评级的。

沟槽技术提供了低导通电阻的理想特性，有时以牺牲高雪崩能量为代价。与现有的基准平面技术相比，沟槽功率 MOSFET 技术的单位面积器件导通电阻降低了 15%，但通常以更高的电荷为代价。而且，沟槽技术允许将导通电阻温度系数降低 10%。

什么是功率 MOSFET 导通电阻 RDS（on）

对于平面和沟槽 MOSFET，导通电阻都很重要，因为它决定了功率半导体的功率损耗和发热。导通电阻越低，器件功率损耗越低，运行温度就越低。这在标称工作温度通常超过 125°C 的应用中尤为重要。 低导通电阻大大降低了许多应用中的散热要求，从而降低了零件数量和组装成本。在许多应用中，低导通电阻还消除了并联 MOSFET 以实现低导通电阻的需要，与前几代 MOSFET 相比，这提高了可靠性并降低了整体系统成本。

RDS（on） 随着细胞密度的增加而降低。多年来，电池密度从 1980 年的每平方英寸五十万个左右增加到平面 MOSFET 的约 800 万个，沟槽技术的电池密度约为 1200 万个或更高。

功率 MOSFET 的温度影响是什么？

无论是平面还是沟槽型，最高结温 TJ（max） 都是器件本身电气特性以及所采用封装的函数。封装热特性决定了其从芯片中提取热量的能力。结到环境和结到外壳的热阻是衡量 MOSFET 提取热量能力的指标。数据表以 °C/W 或 K/W 为单位对热阻进行评级。热阻越低，封装消除热量的效率就越高。在某些情况下，可能需要散热器将器件结温保持在其最大额定值以下。图 6-1 显示了 VGS = 4.5 V 和 10 V 时 RDS（ON） 随结温的变化。VGS 是栅源电压。

图 6-1 Rdson 与 Temp 的关系

功率 MOSFET 的连续漏极电流是多少？

连续漏极电流 ID 确定了 MOSFET 驱动特定负载的能力。该值可以由 MOSFET 的封装限制。当在脉冲模式下运行时，MOSFET 的漏极电流可以是其连续额定值的数倍。在脉冲模式下，脉冲宽度和占空比决定了安全的漏极电流和器件功耗。

功率 MOSFET 的 SOA 是什么？

MOSFET 的安全工作区 SOA 是施加到器件的电压和电流的函数。SOA 表示为电压和电流的曲线，图中显示了“安全”区域。图 6-2 是 SiE848DF 的 SOA 图。

图 6-2 安全工作区

功率 MOSFET 的栅极电荷是多少？

MOSFET 栅极端上的电荷由其栅极-源极电容决定。栅极电荷越低，就越容易驱动 MOSFET。总栅极电荷 QG 会影响 MOSFET 的最高可靠开关频率。栅极电荷越低，频率越高。在较高频率下工作允许使用较低值、较小尺寸的电容器和电感器，这可能是系统成本的重要因素。低栅极电荷也使其更容易驱动 MOSFET，但是，设计人员有时需要在开关频率与 EMI 考虑之间进行权衡。一些新型沟槽器件比一些现有的平面技术表现出更低的栅极电荷，方法是用新的较小的晶片器件替换较大的晶片，这些晶片器件已经过优化，可提供沟槽器件的较低电荷版本。图 6-3 显示了 SiE848DF 的栅极电荷，以 nC、纳库仑为单位。

图 6-3 栅极电荷图

功率 MOSFET 的阈值电压是多少？

阈值电压 Vgs（th） 是在源极和漏极区域之间形成导电通道所需的最小栅极-源极偏压。通常在 250μA 的漏源电流下测量。对于栅极氧化层较厚的高压器件，其值为 2-4V，对于栅极氧化层较薄的低电压器件，逻辑兼容值为 1-2V，这是常见的。在功率非常昂贵的基于电池的应用中，RDS（on） 和 Vgsth 值趋于降低。栅极氧化层的质量和完整性成为主要问题，因为栅极氧化层厚度减小以实现较低的 Vgsth，栅极和源极之间需要使 MOSFET 导通的最小电压。逻辑电平 MOSFET 的典型值约为 2V 至 3V，而其他器件可能具有更高的值。在图 6-4 中，阈值电压与结温的关系图。数据表规定，对于 250 μA 的漏极电流，典型阈值为 1.8 V，这使 MOSFET 处于逻辑电平范围内。

图 6-4 Vgs 与结温的关系

如何计算导通功率 MOSFET 所需的栅极电流？

尽管输入电容值很有用，但它们并不适合计算在给定时间内开关器件所需的栅极电流，并且在比较两个器件的开关性能时也不能提供准确的结果。从电路设计的角度来看，一个更有用的参数是总栅极电荷。大多数制造商在其数据表中都包含这两个参数。

利用栅极电荷 Qg，设计人员可以计算驱动电路在所需时间内接通器件所需的电流量，因为 Qg = 电流×时间。例如，如果向栅极提供 20mA 的电流，则栅极电荷为 20nC 的器件可以在 20ms 内导通，如果栅极电流增加到 1A，则可以在 20nsec 内导通。使用输入电容值，这些简单的计算是不可能的。

功率 MOSFET 的栅极电荷和导通电阻之间有什么关系？

栅极电荷和导通电阻是相互关联的。也就是说，栅极电荷越低，导通电阻就越高，反之亦然。从历史上看，MOSFET 制造商一直专注于降低 RDS（on），而不太关注栅极电荷。这种情况在过去几年中发生了变化，新的设计和工艺出现了，可提供更低的栅极电荷器件。需要注意的是，RDS（on） 和栅极电荷之间存在权衡，并且应用程序将决定哪个参数更重要。RDS（on） × Qg 的乘积是一个品质因数 （FOM），用于比较高频应用中使用的不同功率 MOSFET

功率 MOSFET 的损耗有哪些？

由于功率 MOSFET 主要用作电源开关，因此预计它们具有低导通和开关损耗。对于电源管理应用，导通损耗、耐用性和雪崩能力是重要特性。导通损耗由功率 MOSFET 的工作电流和导通电阻 （I2R） 的乘积决定。

功率 MOSFET 的体二极管正向电压是多少？

体二极管正向电压 （VSD） 是体漏二极管在指定源电流值下保证的最大正向压降。VSD 的值很重要，在源极-漏极电压可能扩展到负范围的应用中必须很低，从而导致体漏二极管正向偏置。如果发生这种情况，源极-漏极电流会从漏极直接流向源极触点，穿过正向偏置体二极管 p-n 结。

如果栅源电压 VGS >Vgsth.在这种同步整流器模式下使用低电压和低 RDS（on） 功率 MOSFET，则第二条更主要的电流传导路径将通过通道存在，因为它们的正向压降可以低至 0.1V，而典型的肖特基二极管正向压降为 0.4-0.5V。高压设备 （>100V） 的最大值为 1.6V，低压设备 （<100V） 的最大值为 1.2V，对于 VSD 很常见。SiE848DF 的源极-漏极二极管正向电压如图 6-5 所示。

图 6-5 源极-漏极二极管 Vf

功率 MOSFET 的最大允许功率耗散是多少？

一个重要的参数是最大允许功率耗散 PD，当外壳温度保持在 25°C 时，它会将 MOSFET 的芯片温度提高到最大允许结温 Tjmax。 最大 Tj 通常为 150°C 或 175°C。

功率 MOSFET 的热阻是多少？

RθJC 是 MOSFET 的结到外壳热阻，典型的表面贴装封装的热阻为 30-50 °C/W，而典型的 TO-220 器件的热阻为 2°C/W 或更低。数据手册还可以提供功率 MOSFET 结到环境热阻的 RθJA 值。

功率 MOSFET 的最大 dV/dt 是多少？

允许的源极-漏极电压的最大上升速率是 MOSFET 的 dV/dt。如果超过此速率，栅源端子两端的电压可能会高于器件的阈值电压，从而迫使器件进入导流模式，在某些情况下可能会发生灾难性故障。

有两种可能的机制可以导致 dV/dt 诱导导通。一个通过栅极-漏极电容 CGD 的反馈作用变为激活状态，与 CGS 一起形成一个电容分压器，该分压器可以产生足以超过 Vth 的脉冲，并在漏极上的快速电压转换期间打开器件。当器件的漏极和源极端子上出现电压斜坡时。通常驱动器会吸收流经栅极电阻 RG 的电流，以在关断状态下将栅极箝位为低电平，如果 Rg 太大，有时可能会将驱动器与栅极隔离，从而允许器件导通。RG 是电路中的总栅极电阻。

MOSFET 中 dV/dt 导通的第二种机制是通过寄生 BJT。与体二极管的耗尽区相关的电容，延伸到漂移区，表示为 CDB，出现在 BJT 的基极和 MOSFET 的漏极之间。当漏源端子上出现电压斜坡时，该电容会产生流经基极电阻 RB 的电流。

哪些因素会影响功率 MOSFET 的开关和瞬态响应？

当 MOSFET 用作开关时，其基本功能是通过施加到栅极的电压信号来控制漏极电流。器件的开关性能取决于确定电容两端的电压变化和电感电流变化所需的时间。RG 是栅极的分布电阻，与有源面积大致成反比。RG 的乘积和多晶硅栅极的活性面积通常约为 20 Ω-mm2。图 6-6 [缺少 - 如果您有杂志或旧数据表的副本，请将扫描件发送给 Andy] 显示了 MOSFET 输入中的寄生效应。Ls 和 LD 是源极和漏极引线电感，大约为几十 nH。还有几个与功率 MOSFET 相关的寄生电容。栅极-源极电容 CGS 是由于多晶硅栅极与源极和通道区域重叠而产生的电容，不是外加电压的强函数。

“静电”（ESD） 如何影响功率 MOSFET？

MOSFET 技术的出现带来了另一种杀死半导体的方法：静电。处理 MOSFET 半导体的人积累的电荷通常足以破坏零件。因此，半导体制造商制定了 3000V 至 5000V 的静电放电额定值。MOSFET 半导体的处理程序使用接地带和导电表面来防止静电问题。