MOSFET设计选型指导.docx
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MOSFET设计选型指导.docx
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MOSFET设计选型指导
MOSFET设计选型指导
1、目的:
提升技术人员对MOSFET器件的了解水准,并通过后续不断升级和完善,可形成具有实际指导性的文件;
避免电路设计不匹配,器件选型、器件替代错乱;
2、适用范围:
本指导书适用于对MOSFET知识学习,设计选型号及替代。
3、背景说明:
制作MOSFET指导书的必要性:
在2010年MOSFET出现了两个品牌失效:
客户端IPS品牌失效:
2010年,AP54在客户端失效MOSFET超过40PCS,该器件为IPS品牌型号FTA06N65,规格650V;
生产线AOS品牌失效:
2010年九月份,AP54产品在手动OVP测试时,一天时间失效了10PCSMOSFET,品牌:
AOS,型号:
AOTF7N65,规格:
650V7A;除了OVP工位外,其他测试工位也有零星失效;
针对出现的这些问题,我们不仅要立即处理失效品保证正常生产出货,更重要的是怎样做到预防和避免。
因此,制定MOSFET设计选型指导书很有必要;
MOSFET的内部结构图及封装图:
(举例)
目前瑞谷MOSFET类别(简单介绍):
TO-220:
40V/202A---800V/11A
SO-8:
12V/25A---200V/4A
DPAK:
30V/90A----800V/3A
D2PAK:
30V/90A---500V/12A
TO-3P:
200V/42A—900V/11A
4、MOSFET知识介绍
MOSFET工作原理图:
图1MOSFET(N沟增强型)结构图2Vgs=0栅极G无感应电荷图3Vgs〉0产生电场
图4Vgs增大,形成耗尽层图5Vgs继续增大吸引衬底电子图6Vgs=Vt衬底电子形成反型层,
反型层即导电沟道
图7Vgs>VTVds>0产生Id图8Vds不变,Vgs增加Id增加图9Vds大于夹断电压Id饱和,
Vgs不变,Vds增加Id增加电流不再随Vds增加而增加
MOSFET类型和主要特性
N-MOSET:
增强型—
耗尽型--
P-MOSET:
增强型--
耗尽型--
上图转移特性
下图输入输出特性
主要参数介绍及定义
最大额定参数
最大额定参数,所有数值取得条件(Ta=25℃)
VDSS最大漏-源电压
在栅源短接,漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。
根据温度的不同,实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。
关于V(BR)DSS的详细描述请参见静电学特性。
VGS最大栅源电压
VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。
设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。
实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。
ID-连续漏电流
ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下,管表面温度在25℃或者更高温度下,可允许的最大连续直流电流。
该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数:
ID中并不包含开关损耗,并且实际使用时保持管表面温度在25℃(Tcase)也很难。
因此,硬开关应用中实际开关电流通常小于ID额定值(@TC=25℃)的一半,通常在1/3~1/4。
补充,如果采用热阻RθJA的话可以估算出特定温度下的ID,这个值更有现实意义。
IDM-脉冲漏极电流
该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。
定义IDM的目的在于:
对于一定的栅-源电压,MOSFET导通后,存在最大的漏极电流。
如图所示,对于给定的一个栅-源电压,如果工作点位于线性区域内,漏极电流的增大会提高漏-源电压,由此增大导通损耗。
长时间工作在大功率之下,将导致器件失效。
因此,在典型栅极驱动电压下,需要将额定IDM设定在区域之下。
区域的分界点在Vgs和曲线相交点。
因此需要设定电流密度上限,防止芯片温度过高而烧毁。
这本质上是为了防止过高电流流经封装引线,因为在某些情况下,整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片,而是封装引线。
考虑到热效应对于IDM的限制,温度的升高依赖于脉冲宽度,脉冲时间间隔,散热状况,RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。
单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。
可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论,来估计脉冲电流下结温的情况。
PD-容许沟道总功耗
容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗,可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。
TJ,TSTG-工作温度和存储环境温度的范围
这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。
设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。
如果确保器件工作在这个温度区间内,将极大地延长其工作寿命。
EAS-单脉冲雪崩击穿能量
如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压,则器件不会发生雪崩击穿,因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。
雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值,其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。
定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。
额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。
EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。
L是电感值,ID为电感上流过的电流峰值,其会突然转换为测量器件的漏极电流。
电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后,将导致雪崩击穿。
雪崩击穿发生时,即使MOSFET处于关断状态,电感上的电流同样会流过MOSFET器件。
电感上所储存的能量与杂散电感上存储,由MOSFET消散的能量类似。
MOSFET并联后,不同器件之间的击穿电压很难完全相同。
通常情况是:
某个器件率先发生雪崩击穿,随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。
EAR-重复雪崩能量
重复雪崩能量已经成为“工业标准”,但是在没有设定频率,其它损耗以及冷却量的情况下,该参数没有任何意义。
散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。
对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。
额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。
该定义的前提条件是:
不对频率做任何限制,从而器件不会过热,这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。
在验证器件设计的过程中,最好可以测量处于工作状态的器件或者高温工作下的温度,来观察MOSFET器件是否存在过热情况,特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。
IAR-雪崩击穿电流
对于某些器件,雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。
这样,雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”;其揭示了器件真正的能力。
4.3.2静态电特性
V(BR)DSS:
漏-源击穿电压(破坏电压)
V(BR)DSS(有时候叫做BVDSS)是指在特定的温度和栅源短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。
这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。
V(BR)DSS是正温度系数,温度低时V(BR)DSS小于25℃时的漏源电压的最大额定值。
在-50℃,V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。
VGS(th),VGS(off):
阈值电压
VGS(th)是指加的栅源电压能使漏极开始有电流或关断MOSFET时电流消失时的电压,测试的条件(漏极电流,漏源电压,结温)也是有规定的。
正常情况下,所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。
因此,VGS(th)的变化范围是规定好的。
VGS(th)是负温度系数,当温度上升时,MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。
RDS(on):
导通电阻
RDS(on)是指在特定的漏电流(通常为ID电流的一半)、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。
IDSS:
零栅压漏极电流
IDSS是指在当栅源电压为零时,在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。
既然泄漏电流随着温度的增加而增大,IDSS在室温和高温下都有规定。
漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算,通常这部分功耗可以忽略不计。
IGSS―栅源漏电流
IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。
动态电特性
Ciss:
输入电容
将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。
Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成,或者Ciss=Cgs+Cgd。
当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启,放电至一定值时器件才可以关断。
因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。
Coss:
输出电容
将栅源短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。
Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成,或者Coss=Cds+Cgd对于软开关的应用,Coss非常重要,因为它可能引起电路的谐振。
Crss:
反向传输电容
在源极接地的情况下,测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。
反向传输电容等同于栅漏电容。
Cres=Cgd,反向传输电容也常叫做米勒电容,对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数,他还影响这关断延时时间。
电容随着漏源电压的增加而减小,尤其是输出电容和反向传输电容。
5、MOSFET运放案例分析:
客户端IPS品牌失效:
2010年,某产品在客户端失效MOSFET超过40PCS,该器件为IPS品牌型号FTA06N65,规格650V。
原因:
1、IPS品牌质量问题;IPS供应商承诺对大功率MOSFET的失效率保证在千分之三以内不良率,是不可以接受的;
2、型号FTA06N65器件的实际耐压值与规格值都是650V,没有余量,比其他品牌差;
3、该品牌在抗ESD静电方面很差;目前已经禁用;
生产线AOS品牌失效:
2010年九月份,某产品在手动OVP测试时,一天时间失效了10PCSMOSFET,品牌:
AOS,型号:
AOTF7N65,规格:
650V7A;除了OVP工位外,其他测试工位也有零星失效;
原因:
1、短接光藕将使产品MOSFET占空比增大,输出电压增大,目前测试是在满载测试OVP,将使输出功率增大,MOSFET上的电流也将增大;
2、型号为AOTF7N65AMOSFETRds值太大,器件功率损耗将增大;
3、规格为600V/7A的各品牌MOSFET,Rds数据对比:
品牌
测试
数值
INFENEON
IR
IPS
FAIRCHILD
AOS
Rds
Ω
Ω
Ω
Ω
Ω
6、器件设计选型注意事项
选用MOSFET的三个原则:
反应时间、驱动功率、热效应。
反应时间:
反应时间分为开启时间(
)和关断时间(
),开启时间等于导通延迟时间加上上升时间,即
=
+
;关断时间等于关断延迟时间加上下降时间,即
=
+
。
以上六个型号的MOSFET中,开启时间和关断时间排列。
如下:
器件型号
IR第三代
IRFP460
IR新一代
IRFP460LC
MTW20N50E
(TYP)
FQL
40N50
FQA24N50F
(TYP)
2SK
2370
(ns)
77
95
119
580
320
95
(ns)
168
83
181
600
355
170
驱动功率:
P=WF=
F=*
*F*Q/U=*F*QU
Q-----栅源电荷
U-----栅源电压
F-----驱动信号频率
因此得出结论:
驱动信号相同的情况下,驱动功率取决于Q。
以上六个型号的MOSFET中,驱动功率从小到大依次为:
2SK2370,FQA24N50F,IRFP460,IRFP460LC,FQL40N50,MTW20N50E。
热效应:
管子工作时,等效电阻发热,发热程度与通态电阻
和通态漏极电流有关,因此必须适当选取这两个参数,以便将热效应控制在一个可以接受的范围内。
以上六种型号的MOSFET器件的通态漏极电流,等效电阻及热效应值如下:
参数
IR第三代
IRFP460
IR新一代
IRFP460LC
MTW20N50E
(TYP)
FQL
40N50
FQA24N50F
(TYP)
2SK
2370
(A)
20
20
40
24(25
)
20
(
)
E(J)
108
108
136
90
128
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