如何彻底读懂并理解MOSFET的Datasheet.docx

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如何彻底读懂并理解MOSFET的Datasheet

如何彻底读懂并理解MOSFET的手册

附录A

从手册中估计MOSFET的参数（等效电容，栅极电荷，栅极门限电压，米勒平台电压，近似内部栅极电阻，最大Dv/Dt）

在这个例子上，我们将计算IRFP450MOSFET的等效电容Cgs、Cgd、Cds、全部栅极电荷，栅极门限电压，米勒平台电压，近似内部栅极电阻，和最大Dv/Dt。

栅极对地参考栅极驱动器件的典型图如下。

必要的计算需要以下信息

Vds,off=380V额定Vds关闭状态下的电压

Id=5A满载时的最大漏极电流

Tj=100℃工作结温

Vdrv=13V栅极上的电压幅度

Rgate=5R外部栅极电阻

Rol=Rhi=5R栅极驱动电路的输出电阻

A1.电容

IRFP450的datesheet里给出的电容值

把这些数值作为起点，实际应用中我们可以估算的平均电容值为：

物理电容值可以从基本的关系式中获得：

注意Cgs是从手册的原始数值里得到的，在这个方程中，用同等测试条件下测得的电容值是很重要的。

同时记住Cgs是一个常量和电压无关。

另一方面，Cgd、Cds具有很强的非线性且和电压有关。

他们的最大值分别在Vgd和Vgs接近于0或等于0处，且分别随着Vgd和Vgs的上升迅速下降。

A2.栅极电荷

最坏情况下的栅极电荷值（在特别的情况下），由IRFP450的Datesheet给出

不同的栅极电压幅度，能由下面的典型TotalGageCharge曲线修正。

由下面图中13V的gate-to-source电压开始，找到对应的drain-to-source的电压曲线，然后从横轴读出TotalGageCharge的数值。

如果需要更粗确的值，不同的栅极电荷成员要分别决定。

只有在米勒平台级别修正过后，我们才能估计Gate-to-sourcecharge的值从下面的图中。

Miller电荷能由A1中的Crss,ave的值获得。

最后，overdrive电荷成员（从米勒平台到最终的电压）能由下面的图中估计出。

A3.栅极门限电压和米勒平台电压

A2中我们已经展示了，稍后将会演示，许多MOSFET的开关特性被实际的栅极门限电压和米勒平台电压影响。

为了计算米勒平台电压，栅极的门限电压（Vgs（th））和跨导（Gfs）由手册t罗列出来。

不幸的是，门限电压不是非常好定义，Gfs是小信号量。

更粗确的方法去获得门限电压和米勒平台电压是运用手册中TypicalTransferCharacteristics曲线。

由相同的温度曲线，选中两个易读的点，指出相应的漏极电流和Vgs电压。

先选择交点横线对应的漏极电流，再选对应的Vgs,因为X轴是线性的，Y轴是指数的，线性的比指数的精度更高。

比如，运用150℃这条曲线

Id1=3A

Vgs1=4.13V

Id2=20A

Vgs2=5.76V

门限电压和米勒平台电压可以计算如下：

这些数值对应的是150℃的结温曲线，因为我们用的是TypicalTransferCharacteristics图里的150℃的曲线。

因为门限电压的实质温度系数，结果要100℃时结温修正，门限电压和米勒平台电压要被调整的值为：

A4.栅级内部电阻

另外能人感兴趣的参数是栅格电阻（Rg,i）,但在手册中没有被定义。

此电阻是一个等效电阻，和连接MOSFET晶体管单元的分布式电阻等效。

因此，栅级信号在器件中的分布看起来和表现都和传输线非常相似。

这导致器件里独特的MOSFET单元的开关时间由单元到绑定盘的距离决定。

最可靠的方法去断定Rg,i是通过电桥。

此方法和实验室里测电容的ESR方法一样。

用此方法，源极和漏极要短接，阻抗分析器要设到Rs-Cs如果可以设到Rs-Cs-Ls等效电路，从而得到栅极的电阻Rg,i，输入电容Ciss，寄生电感等。

如此例子，用HP4194阻抗分析器测得IRFP450的Rg,i=1.6R,等效电感=12.9nH,输入电容=5.85nF

A5.Dv/Dt界线

MOSFET的晶体管在Vds电压迅速上升的时候是敏感的，这个变化dv/dt变化会诱发导通.本质上，导通是由电流流过Cgd,在gate-to-source上产生了电压。

当这个电压幅度超过门限电压，MOSFET开始导通.这里有三种不同的情况进行考虑。

首先，观察图中的电容分压器，Vgs计算如下：

如果Vgs

这种技巧提供了全面的保护应对dv/dt诱发导通。

在低压的应用中，完全和栅级的电压和外部驱动阻抗无关。

对于更高电压的应用中，断定MOSFET固有的dv/dt的界限它也是需要的。

这个特点对于最大dv/dt，器件能在理想的情况下抵抗导通，即外部驱动的阻抗为0，栅极和源极短接。

导通是由对Cgd的充电电流，流过Rg,i产生的压降引发的，因此固有的dv/dt计算如下：

（Vth=Rg*i=Rg*CgdDv/dt）

在具体应用中，关断dv/dt是由中路中的其它元件约束的，所以上面的数字对于评估合适性是有意义的。

这些应用包括同步整流，共振模式和软开关电源转换器。

第三种计算结果是基于MOSFET器件上的寄生元件和栅极驱动电路特征描述了产生Vds波形的dv/dtlimit.

为了避免导通，Vgs必须处在门限电压以下

再一次强调这十分重要，MOSFET的门限电压对于温度的变化是值得注意的。

因此高结温的情况下，它的作用也要引入。

举一个具体例子，IRFP450型晶体管在100℃结温的情况下计算要受引下约束。

附录B

计算驱动旁路电容值

MOSFET驱动必须是一个低阻抗的电压源从而得到可靠性和高速性。

为了提供这个虚拟的电压源，驱动的偏置线要被高质量的，高频的电容旁路。

多数电路中，低阻抗，高频率的多层陶瓷电容实现了这个功能。

合适的电容和驱动器的位置对旁数作用起到半数功劳。

一些栅级驱动设计的重要规则将在下面的例子中高亮显示：

1.驱动器必须靠近被驱动的器件。

通过小心的layout设计，PWM控制器与驱动之间的距离是可以被容忍的。

虽然PWMIC输出和驱动器输入之间没有大电流，但是相应的宽印制板布线还是能减小寄生的电感，因此提供了低阻抗环路以及更好的噪声抑制。

2.同样重要的是独立的旁路去处理独自的电源噪声。

比如，供电，PWM控制器，驱动都有自己的旁路电容。

三个阴回路必须最小。

当导通的时候，电流流过驱动的旁路电容，然而在关断的时候，电源处的高频电容给MOSFET的Cgd充电。

举一个带数据的例子，IRFP350由MIC4423驱动（市面上假货很多）。

驱动的静态电流为2.5mA.当输入很低时，静态电流可以忽略。

开关速度是100kHz,PWM的最大占空比为0.7。

栅级是由12V信号驱动，关断状态下器件的电压接近300V。

这种情况下，totalgatecharge估作115nC.5%的纹波通个旁路电容可以接受的，12V的电压就是0.6V的纹波电压，等效计算最小旁路电容值为：

开关频率对旁路电容的影响如下面的图。

在高频下，栅极电荷决定了旁路电容，因此曲线接近于一条最小值的渐近线。

在低频的工作中，驱动器的静态电流决定了最小的电容器尺寸。

纹波依赖于PWM信号的占空比。

所以这里的最坏条件是占空比为0.7，被考虑进去了。

在下面的例子中，在48V输入buck转换电路中，高电压集成门驱动器IR2115用来驱动IRF1310N晶体管。

对应的原理图如下：

我们来假设下面的应用参数：

Vin,max=65V最大稳定的输入电压；

Vdrv=12V高压侧和门驱动的偏置电压幅度；

dVbst=0.5VCbst两端的纹波电压；

dVbst,max=3V当驱动器低于锁定电压或驱动幅度不足的情况下，Cbst两头的最大压降；

Fdrv=100kHz开关频率；

Dmax=0.9V最小输入电压下的最大稳定占空比-此例中控制器没有限制最大占空比；

Toff,tr=400us开断时间间隔

Ton,tr=200us开启时间

电路原件的特征如下：

Qg=85nCthetotalgatechargeofIRF310@Vdr=12VVds=65V

Rgs=5.1k门对源极的下拉电阻

Ir=10uADbst的漏电流@输入电压最大且Tj=80℃

Vf=0.6VDbst的压降@0.1A，Tj=80℃

Ilk=0.13mA稳压管上漏电流@输入电压最大且Tj=100℃

Iqbs=1mA高阻下的静态电流

首先，考虑到驱动器工作的稳定性，基于0.5V的纹波和自举电容器上总的电荷消耗，其最小的电容器值为：

代入数值：

按瞬间的条件计算的电容值要基于最大的电压下降。

当开关不得不停留在关闭状态下一段时间，电感上的输出电流衰减到0，源极在输出电压状态。

阴极负载二极管反偏，自举电容维持高阻。

此外，在无功周期的后期，Cbst仍然不得不给MOSFET导通的电荷充电。

因此，电容值如下：

最后的计算是得出开关能否在预期的200ms的时间内时持续准时的打开。

长周期下能保证自举电容在关闭状态下重新充满。

只有满足下面的表达示的时候，自举电容一定有足够的能量去支持静态和漏电流：

同时满足这三种条件的选470nF。

高压侧驱动IC不仅要用自举电路旁路，还要用一个对地电容旁路，如图所示。

Cdrv提供尖峰充电电流去补充Cbst在开关打开的时候消耗的能量。

如果Cdrv>>Cbst，自举电容能被充到Vdrv的电压。

通常的，Cdrv要比Cbst大一个数量级。

当选择低压侧旁路电容的数值时，首先要考虑的是稳定工作。

Cdrv=10倍的Cbst,所以我们选Cdrv=2.2uF。

附录D

耦合电容和瞬时建立时间的计算