瑞萨MOSFET.docx

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瑞萨MOSFET

2分立器件

●功率MOSFET

1）特性参数

功率MOSFET是我们最熟悉的绿色社会开拓者。

它们能帮助我们创建低损耗系统。

我们的最新工艺和小型封装能帮助您提高系统效率，缩小系统尺寸，从而创建终极低功耗驱动。

（通用开关功率MOSFET、汽车功率MOSFET、IPD、电池功率MOSFET、通用放大器功率MOSFET）

功率MOSFET参数介绍

第一部分最大额定参数

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JA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：

线的欧姆区。

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，脉冲间的时间间隔，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热沉的温度，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。

第二部分静态电特性

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）也是有规格的。

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。

第三部分动态电特性

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，放电致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。

Qgs,Qgd,和Qg：

栅电荷

栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

Qgs从0电荷开始到第一个拐点处，Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分（也叫做“米勒”电荷），Qg是从0点到vGS等于一个特定的驱动电压的部分。

漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小，而且栅电荷不随温度的变化。

测试条件是规定好的。

栅电荷的曲线图体现在数据表中，包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。

在图中平台电压VGS（pl）随着电流的增大增加的比较小（随着电流的降低也会降低）。

平台电压也正比于阈值电压，所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。

下面这个图更加详细，应用一下：

td（on）：

导通延时时间

导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。

td（off）：

关断延时时间

关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。

这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。

tr：

上升时间

上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。

tf：

下降时间

下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。

2）分类原理和优点

分类：

功率MOSFET可分成两类：

P沟道及N沟道：

中间箭头向里的是N沟道而箭头向外的是P沟道。

它有三个极：

漏极（D）。

源极（S）及栅极（G）。

有一些功率MOS-FET内部在漏源极之间并接了一个二极管或肖特基二极管，这是在接电感负载时，防止反电势损坏MOSFET。

这两类MOSFET的工作原理相同，仅电源电压控制电压的极性相反。

MOS场效应管

有增强型（EnhancementMOS或EMOS）和耗尽型（Depletion）MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。

场效应管有三个电极：

D（Drain）称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

G（Gate）称为栅极，相当于双极型三极管的基极；

S（Source）称为源极，相当于双极型三极管的发射极。

优势：

1、mosfet是电压控制型器件，因此在驱动大电流时无需推动级。

电路较简单

2、输入阻抗高，可达百兆Ω以上

3、工作频率范围宽，开关速度高（开关时间为几十纳秒到几百纳秒），开关损耗小

4、有较优良的线性区，并且mosfet的输入比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高，噪声也小，最适合制作Hi-Fi音响

5、功率mosfet可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流。

∙功率MOSFET都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。

近年来，功率MOSFET广泛地应用于电源、计算机及外设（软、硬盘驱动器、打印机、扫描器等）、消费类电子产品、通信装置、汽车电子及工业控制等领域。

∙除少数应用于音频功率放大器，工作于线性范围，大多数用作开关和驱动器，工作于开关状态，耐压从几十伏到上千伏，工作电流可达几安培到几十安培。

功率MOSFET都是增强型MOSFET，它具有优良的开关特性。

根据以上对功率MOSFET特性的分析,其驱动通常要求:

触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度;②开通时以低电阻力栅极电容充电,关断时为栅极提供低电阻放电回路,以提高功率MOSFET的开关速度;③为了使功率MOSFET可靠触发导通,触发脉冲电压应高于管子的开启电压,为了防止误导通,在其截止时应提供负的栅源电压;④功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流,功率管极间电容越大,所需电流越大,即带负载能力越大

3）型号和替换

1.选型考虑的参数耐压（V）电流（A）功率（W）

2.型号

●2SK2225-E-Q（瑞萨）

2SK2225-80-E两款瑞萨高压MOSFET。

主要应用于变频器行业、电源行业。

高压MOSFET替代2SK1317。

2SK1317半塑封装，带有散热片。

2SK2225-E-Q老版本2SK2225-80-E为新版本

●NDF10N60ZG（安森美）

●IR

品牌型号电压（V）电流（A）功率（W）导通电阻（Ω）封装型式

IRIRF150100401500.055TO-204

IRFP150100401800.055TO-247

IRF540100281500.077TO-220

IRF53010014800.16TO-220

IRF9530-100-12750.3TO-220

IRF5201009.2600.27TO-220

IRF2302009750.4TO-204

IRF250200301500.085TO-204

IRFP250200301800.085TO-247

IRF6202005400.8TO-220

IRF6302009750.4TO-220

IRF640200181250.18TO-220

IRF9640-200-111250.5TO-220

IRFR2202004.6500.8TO-252

IRFP460500202500.27TO-247

IRF450500131250.4TO-204

IRFP450500131800.4TO-247

IRFP44050081800.85TO-247

IRF84050081250.85TO-220

IRF8305004.5751.5TO-220

●FAIRCHILD（仙童）

FAIRCHILDSSH70N10A100703000.023TO-3P

SSH22N50A500222780.25TO-3P

SSH10N90A900102801.2TO-3P

SSH7N90A90072401.8TO-3P

SSH5N90A90051602.9TO-3P

SSP5N90A90051402.9TO-220

FQP50N0660501200.018TO-220

FQP85N0660851600.008TO-220

FQP33N10100331270.04TO-220

FQP70N10100701600.019TO-220

FQP5N9090051581.8TO-220

FQA44N10100441800.03TO-3P

FQA70N10100702140.019TO-3P

FQA140N101001403750.008TO-3P

FQA34N20200342100.06TO-3P

FQA48N20200482800.037TO-3P

FQA65N20200653100.025TO-3P

FOA16N50500162000.25TO-3P

FQA24N50500242900.156TO-3P

FQA28N50500283100.126TO-3P

FQL40N50500404600.085TO-264

FQA11N90900113000.75TO-3P

FQA24N50F500242900.156TO-3P

FQA28N50F500283100.126TO-3P

FQL40N50F500404600.085TO-264

FQP60N03L30601000.0135TO-220

FQP140N03L301401800.0045TO-220

●AP4407GM-HF（富鼎先进APEC）

●CES2301,CES2312,CES2321,CEM9926,CEM9435,CEM4953,CEM8958华锐（CET）

●XP152A12COMR,XP151A,XP152A特瑞仕（TOREX））

●AO3401美国AOS万代场效应（MOS）

50NF06.60NF06.75NF75.BTA06-600C.BTA08-600C.BTA12-600B.BTA16-600B.BTA20-600B.BTA26-600BBTA41-600B.BTA41-700B.BT134-600E/D.BT136-600E/D.BT137-600E/D.BT138-600E.BT139-600E.Z0607MAZ0405MF.Z0409MF.X0405MF

●SC1088士兰微

SD4840/SD4841/SD4842/SD4843/SD4844/SD4851是用于开关电源的内置高压MOSFET电流模式PWM控制器系列产品。

该电路待机功耗低,启动电流低。

在待机模式下,电路进入打嗝模式,从而有效地降低电路的待机功耗。

电路的开关频率为67KHz,抖动的振荡频率,可以获得较低的EMI。

内置15ms软启动电路,可以减小在上电过程中变压器的应力,防止变压器饱和。

电路内部集成了各种异常状态保护功能。

包括欠压锁定,过压保护,脉冲前沿消隐,过流保护和温度保护功能。

在电路发生保护以后,电路可以不断自动重启,直到系统正常为止。

4）应用场合

MOSFET是场效应管

1、场效应管可应用于放大。

由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。

常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3、场效应管可以用作可变电阻。

4、场效应管可以方便地用作恒流源。

5、场效应管可以用作电子开关。

备注

常用的是NMOS.原因是导通电阻小,应用较为广泛,也符合LED驱动设计要求.所以开关电源和LED恒流驱动的应用中,一般都用NMOS.下面的介绍中,也多以NMOS为主.

功率MOSFET的开关特性:

MOSFET功率场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的一个显著特点是驱动电路简单,驱动功耗小.其第二个显著特点是开关速度快,工作频率高,功率MOSFET的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定.

MOS管是电压驱动器件,基本不需要激励级获取能量,但是功率MOSFET和双极型晶体管不同,它的栅极电容比较大,在导通之前要先对该电容充电,当电容电压超过阈值电压（VGS-TH）时MOSFET才开始导通.因此,栅极驱动器的负载能力必须足够大,以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容（CEI）的充电.

MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系.使用者虽然无法降低Cin的值,但可以降低栅极驱动回路信号源内阻Rs的值,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度.一般IC驱动能力主要体现在这里,我们谈选择MOSFET是指外置MOSFET驱动恒流IC.内置MOSFET的IC当然不用我们再考虑了,一般大于1A电流会考虑外置MOSFET.为了获得到更大、更灵活的LED功率能力,外置MOSFET是唯一的选择方式,IC需要合适的驱动能力,MOSFET输入电容是关键的参数!

应用场合：

PFC

PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。

基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高

PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。

无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8；有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。

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