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1、MOSFETMOSFET 设计选型指导设计选型指导 1 1、目的：、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、器件替代错乱等等；2 2、适用范围：、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 3、背景说明：、背景说明：3.13.1 制作制作 MOSFETMOSFET 指导书的必要性：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
2、FTA06N65，规格 650V 6.5A；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 10PCS MOSFET，品牌：AOS，型号：AOTF7N65，规格：650V 7A；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； 3.23.2 MOSFETMOSFET 的内部结构图及封装图：的内部结构图及封装图：（举例）（举例） 3.33.3 目前瑞谷目前瑞谷 MOSFETMOSFET 类别（简单介绍）：
3、类别（简单介绍）：TO-220：40V/202A-800V/11A SO-8 ：12V/25A -200V/ 4ADPAK ：30V/90A-800V/ 3AD2PAK：30V/90A-500V/12ATO-3P ：200V/42A900V/11A4 4、MOSFETMOSFET 知识介绍知识介绍4.14.1 MOSFETMOSFET 工作原理图工作原理图：图图 1 1 MOSFETMOSFET（N N 沟增强型）结构沟增强型）结构 图图 2 2 Vgs=0Vgs=0 栅极栅极 G G 无感应电荷无感应电荷 图图 3 3 VgsVgs 00 产生电场产生电场图图 4 4 VgsVgs 增大增大
4、, ,形成耗尽层形成耗尽层 图图 5 5 VgsVgs 继续增大吸引衬底电子继续增大吸引衬底电子 图图 6 6 Vgs=Vgs= VtVt 衬底电子形成反型层，衬底电子形成反型层，反型层即导电沟道反型层即导电沟道图图 7 7 VgsVTVgsVT Vds0Vds0 产生产生 IdId 图图 8 8 VdsVds 不变，不变，VgsVgs 增加增加 IdId 增加增加 图图 9 9 VdsVds 大于夹断电压大于夹断电压 IdId 饱和，饱和， VgsVgs 不变，不变，VdsVds 增加增加 IdId 增加增加 电流不再随电流不再随 VdsVds 增加而增加增加而增加4.24.2 MOSFET
5、MOSFET 类型和主要特性类型和主要特性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4.34.3 主要参数介绍及定义主要参数介绍及定义4.3.14.3.1 最大额定参数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
6、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 RJC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 1/31/4。补充，如果采用热阻 RJA的话可以估算出特定温度下的 ID，这个值更有现实意义。IDM
7、-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
8、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
9、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
10、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
11、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。4.3.24.3.2 静态电特性静态电特性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
12、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
13、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 栅源极漏电流IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。4.3.34.3.3 动态电气特性动态电气特性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
14、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
15、其是输出电容和反向传输电容。5 5、MOSFETMOSFET 运放案例分析运放案例分析: :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 6.5A。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
16、，一天时间失效了 10PCS MOSFET，品牌：AOS，型号：AOTF7N65，规格：650V 7A；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 AOTF7N65A MOSFET Rds 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INFENEONIRIPSFAIRCHILDAOSRds0.70.61.251.41.566 6、器件设计选型注意事项、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
