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理解功率MOSFET的電流

發(fā)布時(shí)間:2011-11-02

中心議題:

  • 功率MOSFET的連續(xù)漏極電流
  • 功率MOSFET的脈沖漏極電流
  • 功率MOSFET的雪崩電流


通常,在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁(yè),列出了連續(xù)漏極電流ID,脈沖漏極電流IDM,雪崩電流IAV的額定值,然而對(duì)于許多電子工程師來(lái)說(shuō),他們對(duì)于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值,常常感到困惑不解,本文將系統(tǒng)的闡述這些問(wèn)題,并說(shuō)明在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中如何考慮這些因素,最后給出選取它們的原則。

功率MOSFET的連續(xù)漏極電流

連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對(duì)于功率MOSFET來(lái)說(shuō),通常連續(xù)漏極電流ID是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí),如對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝DPAK,TO220,D2PAK,DFN5*6等,那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值,根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC,為常溫25℃,就可以得到器件允許的最大的功耗PD:

當(dāng)功率MOSFET流過(guò)最大的連續(xù)漏極電流時(shí),產(chǎn)生最大功耗為PD:

因此,二式聯(lián)立,可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計(jì)算公式:

其中,RDS(ON)_TJ(max) 為在最大工作結(jié)溫TJ下,功率MOSFET的導(dǎo)通電阻;通常,硅片允許的最大工作結(jié)溫為150℃。需要說(shuō)明的是:上述的電流是基于最大結(jié)溫的計(jì)算值;事實(shí)上,它還要受到封裝的限制。在數(shù)據(jù)表中,許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續(xù)漏極電流,而有些公司表示的是基于最大結(jié)溫的電流,那么它通常會(huì)在數(shù)據(jù)表注釋中進(jìn)行說(shuō)明,并示出基于封裝限制的最大的連續(xù)漏極電流。

在公式(1)中,需要測(cè)量器件的熱阻RθJC,對(duì)于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測(cè)試的,通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上,對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝,等效熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝,如SOT23,SO8等,圖1中的RθJC通常要改變?yōu)镽θJL,RθJL就是結(jié)到管腳的熱阻,這個(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。


圖1 等效熱阻模型

功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管,二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器,一定的溫度對(duì)應(yīng)著一定的二極管的壓降,通常,二極管的壓降和溫度曲線需要進(jìn)行校準(zhǔn)。

測(cè)試時(shí),功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過(guò)一定的電流,當(dāng)器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí),測(cè)量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度,以及環(huán)境溫度。

通過(guò)二極管的壓降和通過(guò)的電流,可以計(jì)算功耗;通過(guò)二極管的壓降可以查到結(jié)溫,根據(jù)功耗、結(jié)溫和器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度,可以計(jì)算得到RθJC或RθJL。根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度,還可以計(jì)算得到RθJA。

特別強(qiáng)調(diào)的是,RθJC不是結(jié)到器件的塑料外殼溫度。RθJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測(cè)量的值,不是只靠器件本身單獨(dú)散熱時(shí)的測(cè)試值。實(shí)際的應(yīng)用中,通常RθJT+RθJA>>RθJC+RθCA,器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為:RθJA≈RθJC+RθCA

熱阻RθJC確定了,就可以用公式(1)計(jì)算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),相應(yīng)的ID的值也會(huì)降低。

裸露銅皮的封裝,使用RθJC或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫,通??梢栽龃笊崞鳎岣咂骷ㄟ^(guò)電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝,使用RθJL或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫,其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,要計(jì)算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等,然后再根據(jù)功耗和熱阻來(lái)校核結(jié)溫,保證其結(jié)溫小于最大的允許值,最好有一定的裕量。

上述計(jì)算過(guò)程中,ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來(lái)計(jì)算的,實(shí)際的ID還要受到封裝的影響,特別是底部具有裸露銅皮的封裝。
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封裝限制通常是指連接線的電流處理能力。對(duì)于額定的連接線的電流限制,常用的方法是基于連接線的熔化溫度。當(dāng)連接線的溫度大于220℃時(shí),會(huì)導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下,硅電阻高于線的電阻的10倍以上,大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面,最熱的點(diǎn)在硅片上,而且結(jié)溫通常要低于220℃,因此不會(huì)存在連接線的熔化問(wèn)題。連接線的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會(huì)發(fā)生。

有裸露銅皮器件在封裝過(guò)程中硅片通過(guò)焊料焊在框架上,焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會(huì)使局部的連接電阻分布不均勻,通過(guò)連接線連接硅片的管腳,在連接線和硅片結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生較高的連接電阻,因此實(shí)際的連續(xù)漏極電流ID會(huì)小于數(shù)基于結(jié)溫計(jì)算的電流?;诜庋b限制的電流是測(cè)試的實(shí)際工作的最大電流,因此,在數(shù)據(jù)表中,寄生二極管的電流通常也用這個(gè)值表示。

功率MOSFET的脈沖漏極電流

脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IDM,對(duì)于這個(gè)電流值,許多工程師不明白它是如何定義的。

通常,功率MOSFET也可以工作在飽和區(qū),即放大區(qū)恒流狀態(tài)。如果功率MOSFET穩(wěn)態(tài)工作在可變電阻區(qū),此時(shí),對(duì)應(yīng)的VGS的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大電流,因此在導(dǎo)通過(guò)程中,功率MOSFET要經(jīng)過(guò)Miller平臺(tái)區(qū),此時(shí)Miller平臺(tái)區(qū)的VGS的電壓對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的最大電流。然后Miller電容的電荷全部清除后,VGS的電壓才慢慢增加,進(jìn)入到可變電阻區(qū),最后,VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓,Miller平臺(tái)區(qū)的電壓和系統(tǒng)最大電流的關(guān)系必須滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。

也就是,對(duì)于某一個(gè)值的VGS1,在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為IDM1,器件不可能流過(guò)大于IDM1的電流,轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。

這也表明,數(shù)據(jù)表中功率MOSFET脈沖漏極電流額定值IDM對(duì)應(yīng)著器件允許的最大的VGS,在此條件下,器件工作在飽和區(qū),即放大區(qū)恒流狀態(tài)時(shí),器件能夠通過(guò)的最大漏極電流,同樣,最大的VGS和IDM也要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。

另外,最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結(jié)溫的限制,IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下,功率MOSFET的結(jié)溫可能會(huì)超出范圍。在脈沖的狀態(tài)下,瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻,可以滿足最大結(jié)溫的限制。

因此IDM要滿足兩個(gè)條件:(1) 在一定的脈沖寬度下,基于功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測(cè)量值;(2)在一定的脈沖寬度下,基于瞬態(tài)的熱阻和最大結(jié)溫的計(jì)算值。數(shù)據(jù)表通常取二者中較小的一個(gè)。功率MOSFET的數(shù)據(jù)表后面通常列出了瞬態(tài)的熱阻的等效圖。

因?yàn)閂GS限定的漏極的電流,單純的考慮IDM對(duì)于實(shí)際應(yīng)用沒有太多的參考價(jià)值,因?yàn)閷?shí)際的應(yīng)用中,柵極的驅(qū)動(dòng)電壓通常小于最大的額定電壓。同樣的,在實(shí)際的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下,單純的考慮電流也沒有意義,而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。

IDM和實(shí)際的應(yīng)用最相關(guān)的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路,因此,在系統(tǒng)控制器的柵驅(qū)動(dòng)電壓下,測(cè)試短路時(shí)最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中,使系統(tǒng)短路保護(hù)時(shí)間小于1/3~1/2的上述的持續(xù)時(shí)間,這樣才能使系統(tǒng)可靠。

事實(shí)上,對(duì)于大電流,在導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷的過(guò)程,由于芯片內(nèi)部的不平衡或其他一些至今還沒有理論可以解釋的原因,即使芯片沒有超過(guò)結(jié)溫,也會(huì)產(chǎn)生損壞。

因此,在實(shí)際的應(yīng)用中,要盡量的使短路保護(hù)的時(shí)間短,以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖擊。具體方法就是減小短路保護(hù)回路的延時(shí),中斷響應(yīng)的時(shí)間等。

在不同的柵級(jí)電壓下測(cè)量短路電流,測(cè)試波形如圖2所示,采用的功率MOSFET為AOT266。圖2(a):VGS電壓為13V,短路電流達(dá)1000A,MOSFET在經(jīng)過(guò)47μs后電流失控而損壞;圖2(b):VGS電壓為8V,短路電流僅為500A,MOSFET在經(jīng)過(guò)68μs后電流失控而損壞。電流測(cè)試使用了20:1的電流互感器,因此電流為200A/格。


圖2 AOT266短路測(cè)試波形

可以的看到,VGS =13V,最大電流為1000A,持續(xù)的時(shí)間為47μs;VGS =8V,最大電流為500A,持續(xù)的時(shí)間為68μs。

功率MOSFET的雪崩電流

雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV,雪崩能量代表功率MOSFET抗過(guò)壓沖擊的能力。在測(cè)試過(guò)程中,選取一定的電感值,然后將電流增大,也就是功率MOSFET開通的時(shí)間增加,然后關(guān)斷,直到功率MOSFET損壞,對(duì)應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。

在數(shù)據(jù)表中,標(biāo)稱的IAV通常要將前面的測(cè)試值做70%或80%降額處理,因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù)。一些功率MOSFET供應(yīng)商會(huì)對(duì)這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線上做100%全部檢測(cè),因?yàn)橛薪殿~,因此不會(huì)損壞器件。

注意:測(cè)量雪崩能量時(shí),功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關(guān)狀態(tài)下,因此功率MOSFET不是工作在放大區(qū),而是工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續(xù)的漏極電流值ID。

采用的電感值越大,雪崩電流值越小,但雪崩能量越大,生產(chǎn)線上需要測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng),生產(chǎn)率越低。電感值太小,雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH,此時(shí),雪崩電流相對(duì)于最大的連續(xù)的漏極電流值ID有明顯的改變,而且測(cè)試時(shí)間比較合適范圍。

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