作為電子工程師，相信大家都對MOSFET不會陌生。工程師們要選用某個型號的 MOSFET，首先要看的就是規(guī)格書-datasheet，拿到 MOSFET的規(guī)格-datasheet 時，我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？我們就以英飛凌 IPP60R190C6 datasheet為例詳細探討一下。

1、VDS

Datasheet 上電氣參數(shù)第一個就是 V(BR)DSS，即 DS 擊穿電壓，也就是我們關(guān)心的 MOSFET 的耐壓

圖中V(BR)DSS的最小值是600V，是不是表示設(shè)計中只要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態(tài)?

相信很多人的答案是“是!”，曾經(jīng)我也是這么認為的，但這個正確答案是“不是!”

這個參數(shù)是有條件的，這個最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃時，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。

從下圖datasheet上V(BR)DSS與Tj的關(guān)系中可以清楚地看出，MOSFET V(BR)DSS與溫度是正相關(guān)的。要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V(BR)DSS值<560V，這時候600V就已經(jīng)超過MOSFET耐壓了。?

所以在MOSFET使用中，我們都會保留一定的VDS的電壓裕量，其中一點就是為了考慮到低溫時MOSFET V(BR)DSS值變小了，另外一點是為了應(yīng)對各種惡例條件下開關(guān)機的VDS電壓尖峰。

2、ID

相信大家都知道 MOSFET 最初都是按xA, xV 的命名方式（比如 20N60~），慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds(on)和電壓的命名方式(比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~).

其實從電流到 Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就表明ID 和 Rds(on)是有著直接聯(lián)系的，那么它們之間有什么關(guān)系呢？

在說明 ID 和 Rds(on)的關(guān)系之前，先得跟大家聊聊封裝和結(jié)溫：

1). 封裝：影響我們選擇 MOSFET 的條件有哪些？

a) 功耗跟散熱性能 -->比如：體積大的封裝相比體積小的封裝能夠承受更大的損耗；鐵封比塑封的散熱性能更好.

b) 對于高壓 MOSFET 還得考慮爬電距離 -->高壓的 MOSFET 就沒有 SO-8 封裝的，因為G/D/S 間的爬電距離不夠

c) 對于低壓 MOSFET 還得考慮寄生參數(shù) -->引腳會帶來額外的寄生電感、電阻，寄生電感往往會影響到驅(qū)動信號，寄生電阻會影響到 Rds(on)的值

d) 空間/體積 -->對于一些對體積要求嚴格的電源，貼片 MOSFET 就顯得有優(yōu)勢了

2). 結(jié)溫：MOSFET 的最高結(jié)溫 Tj_max=150℃，超過此溫度會損壞 MOSFET，實際使用中建議不要超過 70%~90% Tj_max.

回到正題，MOSFET ID和Rds(on)的關(guān)系:

(1) 封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能(熱阻)之間的關(guān)系

(2) MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗

(1), (2)聯(lián)立，計算得到ID和Rds_on的關(guān)系

3、Rds（on）

從下面MOSFET Rds(on)與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds(on)增大，Tj與Rds(on)是正相關(guān)，MOSFET的這一特性使得MOSFET易于并聯(lián)使用。

4、Vgs(th)

相信這個值大家都熟悉，但是Vgs(th)是負溫度系數(shù)有多少人知道，你知道嗎？(下圖是IPP075N15N3 datasheet中Vgs與穩(wěn)定的關(guān)系)。相信會有很多人沒有注意到Vgs(th)的這一特性，這也是正常的，因為高壓MOSFET的datasheet中壓根就沒有這個圖，這一點可能是因為高壓MOSFET的Vgs(th)值一般都是2.5V以上，高溫時也就到2V左右。但對于低壓MOSFET就有點不一樣了，很多低壓MOSFET的Vgs(th)在常溫時就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs(th)是1.2V~2V，高溫時最低都要接近0.8V了，這樣只要在Gate有一個很小的尖峰就可能誤觸發(fā)MOSFET開啟從而引起整個電源系統(tǒng)異常。

所以，低壓MOSFET使用時一定要留意Vgs(th)的這個負溫度系數(shù)的特性！

5、Ciss, Coss, Crss

MOSFET 帶寄生電容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

Ciss, Coss, Crss 的容值都是隨著 VDS 電壓改變而改變的。

在 LLC 拓撲中，減小死區(qū)時間可以提高效率，但過小的死區(qū)時間會導(dǎo)致無法實現(xiàn) ZVS。因此選擇在VDS 在低壓時 Coss 較小的 MOSFET 可以讓 LLC 更加容易實現(xiàn) ZVS，死區(qū)時間也可以適當(dāng)減小，從而提升效率。

6、 Qg, Qgs, Qgd

從下圖中能夠看出：

1. Qg并不等于Qgs+Qgd！！

2. Vgs高，Qg大，而Qg大，驅(qū)動損耗大

7、SOA

SOA曲線可以分為4個部分：

1). Rds_on的限制，如下圖紅色線部分

當(dāng)VDS=1V時，Y軸對應(yīng)的ID為2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.當(dāng)VDS=10V時，Y軸對應(yīng)的ID為20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時，Rds(on)約為0.5R.所以，此部分曲線中，SOA表現(xiàn)為Tj_max時RDS(on)的限制.

2).最大脈沖電流限制，如下圖紅線部分

此部分為MOSFET的最大脈沖電流限制，此最大電流對應(yīng)ID_pulse.

3). VBR(DSS)擊穿電壓限制，如下圖紅線部分

此部分為MOSFET VBR(DSS)的限制，最大電壓不能超過VBR(DSS) ==>所以在雪崩時，SOA圖是沒有參考意義的。

4). 器件所能夠承受的最大的損耗限制

這里以圖中紅線的那條線（10us）來分析。

上圖中，1處電壓、電流分別為：88V, 59A，2處電壓、電流分別為：600V, 8.5A。

MOSFET要工作在SOA，即要讓MOSFET的結(jié)溫不超過Tj_max(150℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC, ZthJC為瞬態(tài)熱阻。

SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時間是10us即10^-5s，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2

從以上得到的參數(shù)可以計算出：

1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃

2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時的SOA，但實際應(yīng)用中不會剛好就是在Tc=25或者80℃，這時候就得想辦法把25℃或者80℃時的SOA轉(zhuǎn)換成實際Tc時的曲線。

把25℃時的SOA轉(zhuǎn)換成100℃時的曲線：

1). 在25℃的SOA上任意取一點，讀出VDS, ID,時間等信息

如上圖，1處電壓、電流分別為：88V, 59A, tp=10us

計算出對應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192 （a）

PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -->此圖對應(yīng)為Tc=25℃ （b）

（a），（b）聯(lián)立，可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024

2). 對于同樣的tp的SOA線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024.

3). 上面圖中點1處的電壓為88V，Tc=100℃時，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083

從而可以算出此時最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A

4). 同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃時的最大電流

5). 把電壓電流的坐標在圖上標出來，可以得到10us的SOA線，同樣的方法可以得到其他tp對應(yīng)的SOA（當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100℃時的其他限制條件）

這里的重點就是ZthJC，瞬態(tài)熱阻在同樣tp和D的條件下是一樣的，再結(jié)合功耗，得到不同電壓條件下的電流

另外一個問題，ZthJC/瞬態(tài)熱阻計算：

當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時：（其中，SthJC(t)是single pulse對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻）

2.當(dāng)tp<10us時

8、Avalanche

下圖中，EAS：單次雪崩能量，EAR：重復(fù)雪崩能量，IAR：重復(fù)雪崩電流

雪崩時VDS,ID典型波形與展開后的圖像如下，可以發(fā)現(xiàn)MOSFET雪崩時，波形上一個顯著的特點是VDS電壓被鉗位，即圖中VDS有一個明顯的平臺

MOSFET雪崩的產(chǎn)生：

在MOSFET的結(jié)構(gòu)中，實際上是存在一個寄生三極管的，如上圖。在MOSFET的設(shè)計中也會采取各種措施去讓寄生三極管不起作用，如減小P+Body中的橫向電阻RB。正常情況下，流過RB的電流很小，寄生三極管的VBE約等于0，三極管是處在關(guān)閉狀態(tài)。雪崩發(fā)生時，如果流過RB的雪崩電流達到一定的大小，VBE大于三極管VBE的開啟電壓，寄生三極管開通，這樣將會引起MOSFET不能正常關(guān)斷，從而損壞MOSFET。

因此，MOSFET的雪崩能力主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1. 最大雪崩電流 ==>IAR

2. MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升

1）單次雪崩能量計算：

上圖是典型的單次雪崩VDS,ID波形，對應(yīng)的單次雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS, L為提供雪崩能量的電感

雪崩能量的典型測試電路如下：

計算出來EAS后，對比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認為是安全的（當(dāng)然前提是雪崩電流

2）重復(fù)雪崩能量 EAR：

上圖為典型的重復(fù)雪崩波形，對應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS.

計算出來EAR后，對比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認為是安全的（此處默認重復(fù)雪崩電流

9、體內(nèi)二極管參數(shù)

VSD，二極管正向壓降 ==>這個參數(shù)不是關(guān)注的重點,trr，二極管反向回復(fù)時間 ==>越小越好，Qrr，反向恢復(fù)電荷 ==>Qrr大小關(guān)系到MOSFET的開關(guān)損耗，越小越好，trr越小此值也會小

10、不同拓撲 MOSFET 的選擇

針對不同的拓撲，對MOSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢？怎么選擇適合的MOSFET？

1). 反激：

反激由于變壓器漏感的存在，MOSFET會存在一定的尖峰，因此反激選擇MOSFET時，我們要注意耐壓值。通常對于全電壓的輸入，MOSFET耐壓(BVDSS)得選600V以上，一般會選擇650V。

若是QR反激，為了提高效率，我們會讓MOSFET開通時的谷底電壓盡量低，這時需要取稍大一些的反射電壓，這樣MOSFET的耐壓值得選更高，通常會選擇800V MOSFET。

2). PFC、雙管正激等硬開關(guān)：

a) 對于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓撲，MOSFET沒有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐壓可以選500V, 600V。

b) 硬開關(guān)拓撲MOSFET存在較大的開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFET。而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度，選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓撲的開關(guān)損耗

3). LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓撲：

LLC、移相全橋等軟開關(guān)拓撲的軟開關(guān)是通過諧振，在MOSFET開通前讓MOSFET的體二極管提前開通實現(xiàn)的。由于二極管的提前導(dǎo)通，在MOSFET開通時二極管的電流存在一個反向恢復(fù)，若反向恢復(fù)的時間過長，會導(dǎo)致上下管出現(xiàn)直通，損壞MOSFET。因此在這一類拓撲中，我們需要選擇trr，Qrr小，也就是選擇帶有快恢復(fù)特性的體二極管的MOSFET。

4). 防反接，Oring MOSFET

這類用法的作用是將MOSFET作為開關(guān)，正常工作時管子一直導(dǎo)通，工作中不會出現(xiàn)較高的頻率開關(guān)，因此管子基本上無開關(guān)損耗，損耗主要是導(dǎo)通損耗。選擇這類MOS時，我們應(yīng)該主要考慮Rds(on)，而不去關(guān)心其他參數(shù)。

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