功率MOS管主要参数

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在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,一般都要考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等因素。

 

MOS管导通特性

导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。

NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到一定电压(如4V10V, 其他电压,看手册)就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS

MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,因而在DS间流过电流的同时,两端还会有电压,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧,几十毫欧左右。MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。降低开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

 

MOS管驱动

MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。但是,我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到,GSGD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

 

Mosfet参数含义说明

 

Vds

即漏源电压,这是MOSFET的一个极限参数,表示MOSFET漏极与源极之间能够承受的最大电压值。需要注意的是,这个参数是跟结温相关的,通常结温越高,该值最大。

Rds(on)

漏源导通电阻,它表示MOSFET在某一条件下导通时,漏源极之间的导通电阻。这个参数与MOSFET结温,驱动电压Vgs相关。在一定范围内,结温越高,Rds越大;驱动电压越高,Rds越小。

Id

漏极电流,漏极电流通常有几种不同的描述方式。根据工作电流的形式有,连续漏级电流及一定脉宽的脉冲漏极电流(Pulsed drain current)。这个参数同样是MOSFET的一个极限参数,但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时,如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流,则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装,环境温度有关。

Vgs

栅源极最大驱动电压,这也是MOSFET的一个极限参数,表示MOSFET所能承受的最大驱动电压,一旦驱动电压超过这个极限值,即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产生永久性伤害。一般来说,只要驱动电压不超过极限,就不会有问题。但是,某些特殊场合,因为寄生参数的存在,会对Vgs电压产生不可预料的影响,需要格外注意

Idm

最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低,体现一个抗冲击能力,跟脉冲时间也有关系

Pd

最大耗散功率

Tj

最大工作结温,通常为150度和175

Tstg

最大存储温度

Iar

雪崩电流

Ear

重复雪崩击穿能量

Eas

重复雪崩击穿能量

BVdss

雪崩击穿电压

Idss

IDSS表示漏源漏电流,栅极电压 VGS=0 VDS 为一定值时的漏源漏流,mA

Igss

IGSS 表示栅极驱动漏电流,越小越好,对系统效率有较小程度的影响,uA级的电流

gfs

跨导,是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比,是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。

Qg

栅极电荷,是在驱动信号作用下,栅极电压从0V上升至终止电压(15V)所需的充电电荷。也就是MOSFET从截止状态到完全导通状态,驱动电路所需提供的电荷,是一个用于评估MOSFET的驱动电路驱动能力的主要参数。

Qgs

G总充电电量

Qgd

栅漏充电(考虑到 Miller 效应)电量

Td(on)

导通延迟时间.从输入GS电压上升到 10% 开始到 VDS 下降到其幅值 90% 的时间。

Tr

上升时间.输出电压 VDS 90% 下降到其幅值 10% 的时间。

Td(off)

关断延迟时间.从输入GS电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间。

Tf

下降时间.输出电压 VDS 10% 上升到其幅值 90% 的时间

Ciss

输入电容,Ciss=Cgd + Cgs. 将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容为输入电容。Ciss由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成。

Coss

输出电容,Coss=Cds +Cgd. 将栅源短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容为输出电容。Coss由漏源电容Cds和栅源电容并联而成。

Crss

反向传输电容,Crss=Cgc. 在源极接地的情况下,测得漏极和栅极之间的电容为反向传输电容等同于栅漏电容(Cgd越低越好)

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1/31/4。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。

 

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VBDSS)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。

 

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。