如何看懂MOSFET规格书.docx
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如何看懂MOSFET规格书
如何看懂MOSFET规格书
作为一个电源方面的工程师、技术人员,相信大家对MOSFET都不会陌生。
在电源论坛中,关于MOSFET
的帖子也应有尽有:
MOSFET结构特点/工作原理、MOSFET驱动技术、MOSFET选型、MOSFET
损耗计算等,论坛高手、大侠们都发表过各种牛贴,我也不敢在这些方面再多说些什么了。
工程师们要选用某个型号的MOSFET,首先要看的就是规格书/datasheet,拿到MOSFET的规格书/datasheet时,我们要怎么去理解那十几页到几十页的内容呢?
本帖的目的就是为了和大家分享一下我对MOSFET规格书/datasheet的理解和一些观点,有什么错误、不当的地方请大家指出,也希望大家分享一下自己的一些看法,大家一起学习。
PS:
1.后续内容中规格书/datasheet统一称为datasheet2.本帖中有关MOSFETdatasheet的数据截图来自英飞凌IPP60R190C6datasheet1VDSDatasheet
上电气参数第一个就是V(BR)DSS,即DS击穿电压,也就是我们关心的MOSFET的耐压
此处V(BR)DSS的最小值是600V,是不是表示设计中只要MOSFET上电压不超过600V
MOSFET就能工作在安全状态?
相信很多人的答案是“是!
”,曾经我也是这么认为的,但这个正确答案是“不是!
”
这个参数是有条件的,这个最小值600V是在Tj=25℃的值,也就是只有在Tj=25℃时,MOSFET上电压不超过600V才算是工作在安全状态。
MOSFET
V(BR)DSS是正温度系数的,其实datasheet上有一张V(BR)DSS与Tj的关系图(Table17),如下:
要是电源用在寒冷的地方,环境温度低到-40℃甚至更低的话,MOSFET
V(BR)DSS值
所以在MOSFET使用中,我们都会保留一定的VDS的电压裕量,其中一点就是为了考虑到低温时MOSFET
V(BR)DSS值变小了,另外一点是为了应对各种恶例条件下开关机的VDS电压尖峰。
2ID相信大家都知道MOSFET最初都是按xA,xV的命名方式(比如20N60~),慢慢的都转变成Rds(on)和电压的命名方式(比如IPx60R190C6,190就是指Rds(on)~).其实从电流到Rds(on)这种命名方式的转变就表明ID和Rds(on)是有着直接联系的,那么它们之间有什么关系呢?
在说明ID和Rds(on)的关系之前,先得跟大家聊聊封装和结温:
1).封装:
影响我们选择MOSFET的条件有哪些?
a)功耗跟散热性能-->比如:
体积大的封装相比体积小的封装能够承受更大的损耗;铁封比塑封的散热性能更好.b)对于高压MOSFET还得考虑爬电距离-->高压的MOSFET就没有SO-8封装的,因为G/D/S间的爬电距离不够c)对于低压MOSFET还得考虑寄生参数-->引脚会带来额外的寄生电感、电阻,寄生电感往往会影响到驱动信号,寄生电阻会影响到Rds(on)的值d)空间/体积-->对于一些对体积要求严格的电源,贴片MOSFET就显得有优势了2).结温:
MOSFET的最高结温Tj_max=150
℃,超过此温度会损坏MOSFET,实际使用中建议不要超过70%~90%Tj_max. 回到正题,MOSFET
ID和Rds(on)的关系:
(1)
封装能够承受的损耗和封装的散热性能(热阻)之间的关系
(2)
MOSFET通过电流ID产生的损耗
(1),
(2)联立,计算得到ID和Rds_on的关系今天看到一篇文档,上面有提到MOSFET的寿命是跟温度有关的。
(下图红色框中)3Rds(on)从MOSFETRds(on)与Tj的图表中可以看到:
Tj增加Rds(on)增大,即Rds(on)是正温度系数,MOSFET的这一特性使得MOSFET易于并联使用。
4Vgs(th)相信这个值大家都熟悉,但是Vgs(th)是负温度系数有多少人知道,你知道吗?
(下面两图分别来自BSC010NE2LS和IPP075N15N3Gdatasheet.)相信会有很多人没有注意到Vgs(th)的这一特性,这也是正常的,因为高压MOSFET的datasheet中压根就没有这个图,这一点可能是因为高压MOSFET的Vgs(th)值一般都是2.5V以上,高温时也就到2V左右。
但对于低压MOSFET就有点不一样了,很多低压MOSFET的Vgs(th)在常温时就很低,比如BSC010NE2LS的Vgs(th)是1.2V~2V,高温时最低都要接近0.8V了,这样只要在Gate有一个很小的尖峰就可能误触发MOSFET开启从而引起整个电源系统异常。
所以,低压MOSFET使用时一定要留意Vgs(th)的这个负温度系数的特性!
!
5Ciss,Coss,CrssMOSFET
带寄生电容的等效模型
Ciss=Cgd+Cgs,Coss=Cgd+Cds,Crss=CgdCiss,Coss,Crss的容值都是随着VDS电压改变而改变的,如下图:
在LLC拓扑中,减小死区时间可以提高效率,但过小的死区时间会导致无法实现ZVS。
因此选择在VDS在低压时Coss较小的MOSFET可以让LLC更加容易实现ZVS,死区时间也可以适当减小,从而提升效率。
6Qg,Qgs,Qgd从此图中能够看出:
1.Qg并不等于Qgs+Qgd!
!
2.Vgs高,Qg大,而Qg大,驱动损耗大7SOASOA曲线可以分为4个部分:
1).Rds_on的限制,如下图红色线附近部分此图中:
当VDS=1V时,Y轴对应的ID为2A,Rds=VDS/ID=0.5R==>Tj=150
℃时,Rds(on)约为0.5R.当VDS=10V时,Y轴对应的ID为20A,Rds=VDS/ID=0.5R==>Tj=150℃时,Rds(on)约为0.5R.所以,此部分曲线中,SOA表现为Tj_max时RDS(on)的限制.MOSFETdatasheet上往往只有Tc=25和80℃时的SOA,但实际应用中不会刚好就是在Tc=25或者80℃,这时候就得想办法把25℃或者80℃时的SOA转换成实际Tc时的曲线。
怎样转换呢?
有兴趣的可以发表一下意见......2).最大脉冲电流限制,如下图红色线附近部分此部分为MOSFET的最大脉冲电流限制,此最大电流对应ID_pulse.3).VBR(DSS)击穿电压限制,如下图红色线附近部分此部分为MOSFETVBR(DSS)的限制,最大电压不能超过VBR(DSS)==>所以在雪崩时,SOA图是没有参考意义的4).器件所能够承受的最大的损耗限制,如下图红色线附近部分上述曲线是怎么来的?
这里以图中红线附近的那条线(10us)来分析。
上图中,1处电压、电流分别为:
88V,59A,2处电压、电流分别为:
600V,8.5A。
MOSFET要工作在SOA,即要让MOSFET的结温不超过Tj_max(150℃),Tj_max=Tc+PD*ZthJC,ZthJC为瞬态热阻.
SOA图中,D=0,即为singlepulse,红线附近的那条线上时间是10us即10^-5s,从瞬态热阻曲线上可以得到ZthJC=2.4*10^-2从以上得到的参数可以计算出:
1处的Tj约为:
25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃2处的Tj约为:
25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4
℃
MOSFETdatasheet上往往只有Tc=25和80℃时的SOA,但实际应用中不会刚好就是在Tc=25或者80℃,这时候就得想办法把25℃或者80℃时的SOA转换成实际Tc时的曲线。
怎样转换呢?
有兴趣的可以发表一下意见~把25℃时的SOA转换成100℃时的曲线:
1).在25℃的SOA上任意取一点,读出VDS,ID,时间等信息
如上图,1处电压、电流分别为:
88V,59A,tp=10us计算出对应的功耗:
PD=VDS*ID=88*59=5192(a)PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC-->此图对应为Tc=25℃(b)(a),(b)联立,可以求得ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.0242).对于同样的tp的SOA线上,瞬态热阻ZthJC保持不变,Tc=100℃,ZthJC=0.024.3).上图中1点电压为88V,Tc=100℃时,PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083从而可以算出此时最大电流为I=PD/VDS=2083/88=23.67A4).同样的方法可以算出电压为600V,Tc=100℃时的最大电流5).把电压电流的坐标在图上标出来,可以得到10us的SOA线,同样的方法可以得到其他tp对应的SOA(当然这里得到的SOA还需要结合Tc=100℃时的其他限制条件)这里的重点就是ZthJC,瞬态热阻在同样tp和D的条件下是一样的,再结合功耗,得到不同电压条件下的电流另外一个问题,ZthJC/瞬态热阻计算:
1.当占空比D不在ZthJC曲线中时,怎么计算?
2.当tp1).当占空比D不在ZthJC曲线中时:
(其中,SthJC(t)是singlepulse对应的瞬态热阻)2.当tp8AvalancheEAS:
单次雪崩能量,EAR:
重复雪崩能量,IAR:
重复雪崩电流雪崩时VDS,ID典型波形:
上图展开后,如下:
MOSFET雪崩时,波形上一个显著的特点是VDS电压被钳位,即上图中VDS有一个明显的平台
MOSFET雪崩的产生:
在MOSFET的结构中,实际上是存在一个寄生三极管的,如上图。
在MOSFET的设计中也会采取各种措施去让寄生三极管不起作用,如减小P+Body中的横向电阻RB。
正常情况下,流过RB的电流很小,寄生三极管的VBE约等于0,三极管是处在关闭状态。
雪崩发生时,如果流过RB的雪崩电流达到一定的大小,VBE大于三极管VBE的开启电压,寄生三极管开通,这样将会引起MOSFET无法正常关断,从而损坏MOSFET。
因此,MOSFET的雪崩能力主要体现在以下两个方面:
1.最大雪崩电流==>IAR2.MOSFET的最大结温Tj_max==>EAS、EAR雪崩能量引起发热导致的温升
1)单次雪崩能量计算:
上图是典型的单次雪崩VDS,ID波形,对应的单次雪崩能量为:
其中,VBR=1.3BVDSS,L为提供雪崩能量的电感
雪崩能量的典型测试电路如下:
计算出来EAS后,对比datasheet上的EAS值,若在datasheet的范围内,则可认为是安全的(当然前提是雪崩电流同时,还得注意,EAS随结温的增加是减小的,如下图:
2)重复雪崩能量EAR:
上图为典型的重复雪崩波形,对应的重复雪崩能量为:
其中,VBR=1.3BVDSS.计算出来EAR后,对比datasheet上的EAR值,若在datasheet的范围内,则可认为是安全的(此处默认重复雪崩电流同时也得考虑结温的影响9体内二极管参数VSD,二极管正向压降==>这个参数不是关注的重点,trr,二极管反向回复时间==>越小越好,Qrr,反向恢复电荷==>Qrr大小关系到MOSFET的开关损耗,越小越好,trr越小此值也会小10不同拓扑MOSFET的选择针对不同的拓扑,对MOSFET的参数有什么不同的要求呢?
怎么选择适合的MOSFET?
欢迎大家发表意见,看法1).反激:
反激由于变压器漏感的存在,MOSFET会存在一定的尖峰,因此反激选择MOSFET时,我们要注意耐压值。
通常对于全电压的输入,MOSFET耐压(BVDSS)得选600V以上,一般会选择650V。
若是QR反激,为了提高效率,我们会让MOSFET开通时的谷底电压尽量低,这时需要取稍大一些的反射电压,这样MOSFET的耐压值得选更高,通常会选择800VMOSFET。
2).PFC、双管正激等硬开关:
a)对于PFC、双管正激等常见硬开关拓扑,MOSFET没有像反激那么高的VDS尖峰,通常MOSFET耐压可以选500V,600V。
b)硬开关拓扑MOSFET存在较大的开关损耗,为了降低开关损耗,我们可以选择开关更快的MOSFET。
而Qg的大小直接影响到MOSFET的开关速度,选择较小Qg的MOSFET有利于减小硬开关拓扑的开关损耗
3).LLC谐振、移相全桥等软开关拓扑:
LLC、移相全桥等软开关拓扑的软开关是通过谐振,在MOSFET开通前让MOSFET的体二极管提前开通实现的。
由于二极管的提前导通,在MOSFET开通时二极管的电流存在一个反向恢复,若反向恢复的时间过长,会导致上下管出现直通,损坏MOSFET。
因此在这一类拓扑中,我们需要选择trr,Qrr小,也就是选择带有快恢复特性的体二极管的MOSFET。
4).防反接,OringMOSFET这类用法的作用是将MOSFET作为开关,正常工作时管子一直导通,工作中不会出现较高的频率开关,因此管子基本上无开关损耗,损耗主要是导通损耗。
选择这类MOS时,我们应该主要考虑Rds(on),而不去关心其他参数。
(注:
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