功率MOSFET的特性

1.绝对最大额定值及电特性1.1绝对最大额定值将绝对最大额定值项目的耐压VDSS、漏极电流ID和沟道损耗容限Pch，分别规定为独立的项目。此外，还表示上述项目在任何使用条件下都不能超过额定值。绝对最大额定值的项目与其他特性之间大多存在着密切的联系，因此必须注意不要使各个项目同时达到最大额定值。(1)漏极/源极耐压　VDSS该项表示在栅极/源极之间短路时可外加到漏极/源极之间的最大电压。VDSS因温度的变化而产生波动。当如图1所示的结温Tj上升到100°C时，V(BR)DSS增加约10%。必须注意当Tj下降时，V(BR)DSS也会以相同的比率下降。图1相对于结温的V(BR)DSS变化率(2)栅极/源极耐压　VGSS当漏极/源极之间短路时，对在栅极/源极之间插入保护二极管的器件进行测量，而对于没有保护二极管的器件无法进行测量。(3)漏极电流ID、漏极峰值电流　ID(peak)或者ID(pulse)在沟道损耗容限内，可在漏极连续通入的直流电流最大值用ID表示，在平均电流不超过ID的范围内，可通入的交流漏极电流的峰值用ID(peak)或者ID(pulse)表示。一般情况下工作时的ID空许值，可根据以下公式进行计算：···············································①同样，ID(peak)的容许值也可根据以下公式进行计算：···································②但是，Tchmax.：沟道最高温度(150°C)Tc：外壳温度θch-c：直流时的热阻θch-c(t)：过渡热阻0.800.850.900.951.001.051.101.151.20V(BR)DSSⱘ⏽ᑺব࣪⥛㒧⏽Tj(°C)–50–250255075100125150ID=10mAVGS=0功率MOSFET功率MOSFET的特性ITchTcchcRDmax.DS(on)max.max.(A)=−−⋅θITchTcchcRDDS(peak)(on)max.max.(t)max.(A)=−−⋅θMOS-TECHSemiconductorCo.,LTD臺灣鈿導體茂半股份有限公司功率MOSFET功率MOSFET的特性RDS(on)max.：漏极/源极通态电阻的最大值γS(t)：标准过渡热阻（此处为单触发脉冲）此外关于脉宽PW和占空比n%的θch–c(t)，可根据以下公式来计算：··········································③关于公式①②中的RDS(on)max.，在考虑到最坏条件的基础上使用Tch=150°C的RDS(on)max.（根据数据表的RDS(on)-Tc特性曲线）值。使用《计算例子》2SK1166，在PW=10μs、duty=10%、Tc=80°Cmax.时的ID(peak)容许值为?(i)在PW=10μs、duty=10%的条件下，根据数据表（图2）的过渡热阻可知γs(t)≈0.12，所以θch-c(t)=γs(t)·θch-c(t)=0.12×1.25=0.15°C/W。(ii)根据数据表，2SK1166的RDS(on)max为0.6Ω，可以算出Tch=150°C时的RDS(on)max约为2.4×0.6=1.44Ω。然后，把各个常数代入到公式②进行计算，即可获得如下所示的约18A。【注】RDS(on)max.使用的是产品目录测量条件下的值，但是，必须确认在安装ID(peak)条件下的RDS(on)。(4)反向漏极电流　IDR该项表示在沟道损耗容限范围内，源极/漏极之间等效形成的内置二极管可连续通入的最大反向直流电流。本特性在马达控制用途的H桥电路中作为整流二极管使用，但可能因电路工作条件而发生损坏，所以在使用时请参照8.1内部二极管的使用注意事项。图22SK1165、2SK1166过渡热阻特性（数据表）(5)沟道损耗容限　Pch或者PD该项表示在规定的散热条件下，可在晶体管内连续消耗的漏极损耗的最大值。必须根据外壳温度Tc用以下公式进行减额：··················································④此外，可以通过数据表的过渡热阻特性及以下公式计算出过渡时的沟道损耗容限Pch(t)：···································································⑤3PulseWidthPW(s)NormalizedTransientThermalImpedanceγS(t)1.00.10.3D=110μ0.030.01100μ10m100m1101mTC=25°C0.50.20.10.050.020.011ShotPulseTPWPDMD=TPWθch–c(t)=γS(t)·θch–cθch–c=1.25°C/W,TC=25°Cθθγchcchc−=−+−⎛⎝⎜⎞⎠⎟⎧⎨⎩⎫⎬⎭(t)S(t)nn1001100PchPchTchTcTch(Tc)max.max.(25C)=×−−°25Pch(t)Tchmax.Tcchc(t)=−−θ≈IAD(peak)=−×1508001514418..MOS-TECHSemiconductorCo.,LTD臺灣鈿導體茂半股份有限公司功率MOSFET功率MOSFET的特性通过与公式④相同的方法进行温度减额。(6)沟道温度容限　Tch该项与晶体管的Tj相同，表示不超过(Tc+θch-c·Pd)的最大结温。(Tc+θch-c·Pd)是指工作时的外壳温度(Tc)与因晶体管本身的内部损耗(Pd)而导致的温度上升(θch-c·Pd)之和。(7)保存温度　Tstg该项表示当保存处于非工作状态的晶体管时，不能超过的周围环境温度的最小及最大值。1.2电特性(1)漏极/源极破坏电压　V(BR)DSS测量条件对ID作了规定，并且VGS=0。如前所述，该值根据温度产生波动。(2)栅极/源极破坏电压　V(BR)GSS本项目对在栅极/源极之间插入保护二极管的产品作了规定。测量条件规定了IG(=±100mA)，并且VDS=0。(3)栅极截止电流　IGSS测量条件对VGS作了规定，并且VDS=0。在无栅极保护二极管的产品中，IGSS通常为不超过1nA，几乎不受温度的影响。在内置了栅极保护二极管的产品中，IGSS通常为几百nA～1μA，并且随温度的上升略有增加，当Tc≈110°C时，就会变为几μA～几十μA。(4)漏极电流　IDSS该项表示漏极/源极之间的直流漏电流，测量条件对VDS作了规定，并且VGS=0。该值极容易随温度而波动。如图3所示，结温Tj上升到100°C时，IDSS约增加两位数。（但是，相对于PN结漏电流，当MOSFET的沟道电流处于支配地位时，25°C的IDSS成为如(B)、(C)所示的状态）图3相对于结温的IDSS变化例子0.010.020.050.10.20.51.025102050100ⓣᵕ⬉⌕IDSS(μA)㒧⏽Tj(°C)–250255075100125150˖IDSS(25°C)ЎᇣⱘSPL˖IDSS(25°C)ЎЁㄝⱘSPL˖IDSS(25°C)Ў䕗໻ⱘSPL(A)(A)(B)(B)(C)(C)(2SK1165ⱘ՟ᄤ)VDS=360VǃVGS=0MOS-TECHSemiconductorCo.,LTD臺灣鈿導體茂半股份有限公司功率MOSFET功率MOSFET的特性(5)栅极/源极截止电压　VGS(off)该项表示功率MOSFET开始传导的栅极阈电压，用VGS(off)或者VGS(th)符号表示。VGS(off)会随温度而波动，如图4所示具有负温度系数。其值根据产品不同略有差异，温度系数在-5～7mV/°C范围内。测量条件对VDS和ID作了规定。图4相对于结温的VGS(off)变化(6)漏极/源极通态电阻　RDS(on)通态电阻RDS(on)是功率MOSFET最重要的参数之一，测量条件对ID和VGS作了规定。RDS(on)会根据VGS产生大幅度的波动。即为了使RDS(on)为最小值，必须外加最低约10V的电压以使器件能够在电阻范围（低损耗）内工作（但是，对于通过4V就可驱动的系列，如果外加约5V的电压，就可获得充分的电阻范围）。VGS即使在超出12～15V的条件下，对于降低RDS(on)也没有太大效果。如果增加不必要的栅压，就会导致充电电流增大。一旦驱动损耗增加，在栅极/源极之间就容易产生峰值电压。而且使断开延迟时间td(off)变长（上升时间tr变短）。RDS(on)随漏极电流ID而变化，如果漏极电流超出最大额定电流，RDS(on)就会增加。此外RDS(on)还具有正的温度依存性，关于各品种的温度特性（以漏极电流作为参数）请参照数据表中所记载的内容。(7)正向传输导纳|yfs|功率MOSFET的增益表示方法与双极型晶体管通过hFE表示增益的方法相同。数据表中所记载的|yfs|，通过相对于栅压变化的漏极电流的变化率(|yfs|=ΔID/ΔVGS)进行定义。当器件在有源区域（线性电路）工作时，|yfs|是重要的参数；但在饱和区域（开关电路）工作时，不是常用的参数。测量条件对VDS(VDSID·RDS(on)max.)和ID作了规定。(8)各个电容　Ciss、Coss、Crss输入电容Ciss、输出电容Coss及反向传输电容Crss存在如下关系：Ciss=Cgs+CgdCoss=Cds+CgdCrss=Cgd其中，Cgs：栅极/源极之间的电容Cds：漏极/源极之间的电容Cgd：栅极/漏极之间的电容2.22.42.62.83.03.23.43.63.8㒧⏽Tj(°C)–50–250255075100125150ᷙᵕ/⑤ᵕ៾ℶ⬉य़VGS(off)(V)MOS-TECHSemiconductorCo.,LTD臺灣鈿導體茂半股份有限公司功率MOSFET功率MOSFET的特性Cgs和Cgd主要由芯片尺寸与硅栅极氧化膜的厚度来决定。Cds为P-N结处的电容，由漏极区域的结处面积与在结处外加反向偏压时形成的耗尽层扩展宽度来决定。测量条件对VDS、VGS和f作了规定。该项几乎不受各电容温度的影响。在功率MOSFET的驱动电路设计阶段，为了给驱动损耗和输入电容充电，在计算必须的峰值电流时使用输入电容Ciss。但是，使用数据表中所记载的数值时会产生问题。因此，在计算时请参照5.输入动态特性。此外，记载了有关茂鈿功率MOSFET各品种的输入动态特性。(9)开关时间　td(on)、tr、td(off)、tf开关时间受到测量电路的信号源阻抗RS与漏极负载电阻RL很大的影响。测量条件对VDD、RL、VGS、ID以及测量电路作了规定。信号源阻抗规定连接50Ω的脉冲发生器。实际使用时，通过减小RS实现高速化。该项几乎不受温度的影响。接通延迟时间td(on)是指，从输入栅压波形上升10%到输出电压波形上升10%的时间。该值略受VGS(off)值的影响，VGS(off)的值越小时间越短。上升时间tr是指，从输出电压波形上升10%到90%的时间。该值受到VGS和VGS(off)值的影响，VGS的值越大时间越短，而VGS(off)的值越小时间越短。断开延迟时间td(off)是指，从输入栅压波形下降90%到输出电压波形下降90%的时间。该值受到VGS和VGS(off)值的影响，VGS的值越小时间越短，而VGS(off)的值越大时间越短。在开关工作并联时，为了保持过渡时的电流平衡，使VGS(off)一致是非常有效的方法。下降时间tf是指，从输出电压波形下降90%到10%的时间。该值最易受到负载电阻RL的影响，RL越大（小负载）时间越长。这是由断开时给漏极/源极电容Cds充电的时间常数得出的结论。(10)二极管正向电压　VDF该项表示漏极/源极之间等效形成的内置二极管的正向电压，测量条件对IF作了规定，并且VGS=0。此外，由于对栅极外加正向偏压就能够形成沟道，所以该值为IF×RDS(on)，并且根据所使用的电流范围，与普通二极管相比，VF会变小。温度特性与