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快速读懂功率MOSFET的电流应用-功率MOSFET工作原理、结构等详解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-11 

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功率MOSFET工作原理

功率MOSFET是从小功率MOS管展开来的。但在结构上,它们之间相差很大,为了更好天文解功率MOSFET的机理,首先来回想一下小功率場效應管的机理。以下以N沟道增强型小功率MOSFET的结构来说明MOS管的原理。

功率MOSFET,电流

N溝道增強型小功率MOSFET的結構表示圖


N溝道增強型MOS管是把一塊低摻雜的P型半導體作爲襯底,在襯底上面用擴散的方法構成兩各重摻雜的N+區,然後在P型半導體上生成很薄的一層二氧化矽絕緣層,然後在兩個重摻雜的N+區上端用光刻的辦法刻蝕掉二氧化矽層,顯露N+區,最後在兩個N+區的表面以及它們之間的二氧化矽表面用蒸發或者濺射的辦法噴塗一層金屬膜,這三塊金屬膜構成了MOS管的三個電極,分別稱爲源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。


MOSFET的特性可以用转移特性曲线和漏极输出特性曲线来表征。转移特性是指在漏源之间的电压UDS在某一固定值时,栅极电压UGS与相对应的漏极电流ID之间的关系曲线。图3是某种場效應管的转移特性。

功率MOSFET,电流


图MOS管的漏极输出特性场效应晶体管的输出特性可以划分为四个区域:可变电阻区、截止区、击穿区和恒流区。 可变电阻区(UDS)


在這個區域內,UDS增加時,ID線性增加。在導電溝道接近夾斷時,增長變緩。在低UDS分開夾斷電壓較大時,MOS管相當于一個電阻,此電阻隨著UGS的增大而減小。截止區(UGS)


擊穿區在相當大的漏-源電壓UDS區域內,漏極電流近似爲一個常數。當UDS加大道一定數值以後,漏極PN結發作擊穿,漏電流疾速增大,曲線上翹,進入擊穿區。飽和區(UDS>UGS-UT)在上述三個區域保衛的區域即爲飽和區,也稱爲恒流區或放大區。功率MOSFET應用在開關電源和逆變器等功率變換中,就是工作在截止區和擊穿區兩個區。


功率MOSFET結構特性

圖中MOSFET的結構是不合適運用在大功率的場所,緣由是兩個方面的。一方面是結構上小功率MOSFET三個電極在一個平面上,溝道不能做得很短,溝道電阻大。另一方面是導電溝道是由表面感應電荷構成的,溝道電流是表面電流,要加大電流容量,就要加大芯片面積,這樣的結構要做到很大的電流可能性也很小。


爲了抑止MOSFET的載流才幹太小和導通電阻大的難題,在大功率MOSFET中通常采用兩種技術,一種是將數百萬個小功率MOSFET單胞並聯起來,進步MOSFET的載流才幹。另外一種技術就是對MOSFET的結構中止改進,采用一種垂直V型槽結構。圖3是V型槽MOSFET結構剖面圖。

功率MOSFET,电流


圖3V型槽MOSFET結構剖面圖在該結構中,漏極是從芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平方向活動,而是自重摻雜N區(源極S)動身,經過P溝道流入輕摻雜N漂移區,最後垂直向下抵達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示,由于流通截面積增大,所以能經過大電流。在相同的電流密度下,體積也大大減少。


功率MOSFET電流詳解

通常,在功率MOSFET的數據表中的第一頁,列出了連續漏極電流ID,脈沖漏極電流IDM,雪崩電流IAV的額定值,然後對于許多電子工程師來說,他們對于這些電流值的定義以及在實際的設計過程中,它們如何影響系統以及如何選取這些電流值,常常感到困惑不解,本文將系統的闡述這些問題,並說明了在實際的應用過程中如何考慮這些因素,最後給出了選取它們的原則。


連續漏極電流

連續漏極電流在功率MOSFET的数据表中表示为ID。对于功率MOSFET来说,通常連續漏極電流ID是一个计算值。


當器件的封裝和芯片的大小一定時,如對于底部有裸露銅皮的封裝DPAK,TO220,D2PAK,DFN5*6等,那麽器件的結到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個確定值,根據矽片允許的最大工作結溫TJ和裸露銅皮的溫度TC,爲常溫25℃,就可以得到器件允許的最大的功耗PD:


当功率MOSFET流过最大的連續漏極電流时,产生最大功耗为PD:

功率MOSFET


因此,二式联立,可以得到最大的連續漏極電流ID的计算公式:

其中,RDS(ON)_TJ(max)爲在最大工作結溫TJ下,功率MOSFET的導通電阻;通常,矽片允許的最大工作結溫爲150℃。


所以,連續漏極電流ID是基于硅片最大允许结温的计算值,不是一个真正的测量值,而且是基于TC=25℃的计算值。RqJC,TC,这里的C: Case,是裸露铜皮,不是塑料外壳,实际应用中TC远远高于25℃,有些应用甚至高达120℃以上,因此ID只具有一定的参考价值。另外,連續的額定電流還要受封裝因素的限制:特別是底部具有裸露銅皮的封裝。


封装限制通常是指连接线的电流处理能力,导线直径对于流过的电流也有一定的限制。对于额定的连接线的电流限制,常用方法是基于连接线的熔化温度。这并不正确的原因在于:当连接线温度大于220℃时,会导致外壳塑料的熔化分解。在许多情况下,硅电阻高于线的电阻的10倍以上,大部分热产生于硅的表面,最热的点在硅片上,而且结温通常要低于220oC, 因此不会存在连接线熔化问题,连接线的熔化只有在器件损坏的时候才会发生。


有裸露铜皮器件在封装过程中硅片通过焊料焊在框架上,焊料中的空气以及硅片与框架焊接的平整度会使局部的连接电阻分布不均匀,通过连接线连接硅片的管脚,在连接线和硅片结合处会产生较高的连接电阻,因此实际的基于封装限制連續漏極電流会小于基于最大结温计算的电流。


在数据表中,对于連續漏極電流有二种标示法,不同的公司采用不同的方法:

(1) 数据表的表中,标示基于最大结温的计算值,通常在数据表底部的的注释中,说明基于封装限制的最大的連續漏極電流,如下图所示,202A和75A。


(2) 直接在数据表的表中,标示基于封装限制的連續漏極電流,而不再使用注释,如上面AON6590数据表中,标示的就是封装限制的电流。


測量器件的熱阻,通常是將器件安裝在一個1平方英寸2oz的銅皮的PCB上,對于底部有裸露銅皮的封裝,等效熱阻模型如圖1所示。如果沒有裸露銅皮的封裝,如SOT23,SO8等,圖1中的RqJC通常要改變爲RqJL,RqJL就是結到管腳的熱阻,這個管腳是芯片內部與襯底相連的那個管腳。

功率MOSFET,电流

等效熱阻模型


RqJA是器件装在一定尺寸的PCB板测量的值,不是只靠器件本身单独散热时的测试值。实际的应用中,通常RqJT+RqTA>>RqJC+RqCA,器件结到环境的热阻通常近似为:RqJA=RqJC+RqCA。热阻确定了就可以用公式计算功率MOSFET的电流值連續漏極電流ID,当环境温度升高时,计算ID的值相应也会降低。


裸露銅皮的封裝,使用RqJC或RqJA來校核功率MOSFET的結溫,通常可以增大散熱器,提高器件通過電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝,使用RqJL或RqJA來校核功率MOSFET的結溫,其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。

數據表中ID只考慮導通損耗,在實際的設計過程中,要計算功率MOSFET的最大功耗包括導通損耗、開關損耗、寄生二極管的損耗等,然後再據功耗和熱阻來校核結溫,保證其結溫小于最大的允許值,最好有一定的裕量。


脈沖漏極電流

脈沖漏極電流在功率MOSFET的数据表中标示为IDM,对于这个电流值,要结合放大特性来理解它的定义。


功率MOSFET工作也可以工作在飽和區,即放大區恒流狀態,此時,電流受到溝道內電子數量的限制,改變漏極電壓不能增加流通電流。功率MOSFET從放大區進入穩態工作可變電阻區,此時,VGS驅動電壓對應的的放大恒流狀態的漏極電流遠遠大于系統的最大電流,因此在導通過程中,功率MOSFET要經過Miller平台區,此時Miller平台區的的電壓VGS對應著系統的最大電流。


然後Miller電容的電荷全部清除後,VGS的電壓才慢慢增加,進入到可變電阻區,最後,VGS穩定在最大的柵極驅動電壓,Miller平台區的電壓和系統最大電流的關系必須滿足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性。

功率MOSFET,电流

MOSFET輸出特性


對于某一個值的VGS1,在轉移工作特性或輸出特性的電流爲ID1,器件不可能流過大于ID1的電流,轉移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。功率MOSFET工作在線性區時,最大的電流受到VGS的限制,也就是最大的電流IDM和最大的VGS要滿足功率MOSFET的轉移工作特性或輸出特性限制:

功率MOSFET,电流


其中,gfsFS爲跨導。

功率MOSFET

轉移工作特性


器件工作在線性區,功耗爲電流和壓降乘積,因此産生較大功耗,此電流該參數反映了器件可以處理的脈沖電流的能力,脈沖電流要遠高于連續的直流電流。IDM工作在連續的狀態下,長時間工作在大功率之下,功率MOSFET的結溫可能會超出範圍,將導致器件失效。在脈沖的狀態下,瞬態的熱阻小于穩態熱阻,可以滿足電流範圍更大。


这也表明,数据表中功率MOSFET的脈沖漏極電流额定值IDM对应着器件允许的最大的VGS,在此条件下器件工作在饱和区,即放大区恒流状态时,器件能够通过的最大漏极电流,同样,最大VGS的和IDM也要满足功率MOSFET的轉移工作特性或输出特性。

温度升高依赖于脉冲宽度、脉冲间的时间间隔、散热状况、以及脉冲电流波形和幅度。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,要参考热性能和瞬时热阻,来估计脉冲电流下结温,也就是最大的脈沖漏極電流IDM还要满足最大结温的限制,因此IDM要满足二个条件:


(1) 在一定的脉冲宽度下,基于功率MOSFET的轉移工作特性或输出特性的真正的单脉冲最大电流测量值;数据表中,VGS=10V,260us电流脉冲时,真正的单脉冲的电流测量值。


(2)在一定的脈沖寬度下,基于瞬態的熱阻和最大結溫的計算值。數據表中,脈沖寬度取260us。


雪崩電流

雪崩電流在功率MOSFET的数据表中表示为IAV,雪崩能量代表功率MOSFET抗过压冲击的能力。在测试过程中,选取一定的电感值,然后将电流增大,也就是功率MOSFET开通的时间增加,然后关断,直到功率MOSFET损坏,对应的最大电流值就是最大的雪崩電流。


在數據表中,標稱的IAV通常要將前面的測試值做70%或80%降額處理,因此它是一個可以保證的參數。一些功率MOSFET供應商會對這個參數在生産線上做100%全部檢測,因爲有降額,因此不會損壞器件。


注意:测量雪崩能量时,功率MOSFET工作在UIS非钳位开关状态下,因此功率MOSFET不是工作在放大区,而是工作在可变电阻区和截止区。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的连续的漏极电流值ID。


采用的电感值越大,雪崩電流值越小,但雪崩能量越大,生产线上需要测试时间越长,生产率越低。电感值太小,雪崩能量越小。目前低压的功率MOSFET通常取0.1mH,此时,雪崩電流相对于最大的连续的漏极电流值ID有明显的改变,而且测试时间比较合适范围。



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