轉載-詳解功率MOS管引數

參考博文：https://blog.csdn.net/tyrael_cui/article/details/81003318?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522160215572319726892427096%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=160215572319726892427096&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_v2~rank_v28_p-1-81003318.pc_first_rank_v2_rank_v28_p&utm_term=%E5%8A%9F%E7%8E%87mos%E7%AE%A1&spm=1018.2118.3001.4187

功率MOS場效應電晶體，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金氧半導體），FET（Field Effect Transistor場效應電晶體），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應電晶體。

功率MOS場效應電晶體也分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結型功率場效應電晶體一般稱作靜電感應電晶體（Static Induction Transistor——SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅動電路簡單，需要的驅動功率小，開關速度快，工作頻率高，熱穩定性優於GTR，但其電流容量小，耐壓低，一般只適用於功率不超過10kW的電力電子裝置。

首先需要了解一些概念：

柵極（Gate——G，也叫做門極），源極(Source——S)， 漏極（Drain——D）

功率MOS場效應電晶體的種類：按導電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為；

耗盡型：當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道，

增強型：對於N（P）溝道器件，柵極電壓大於（小於）零時才存在導電溝道，功率MOSFET主要是N溝道增強型。

截止：漏源極（D-S）間加正電源(即D為+，S為-)，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN接面J1反偏，漏源極之間無電流流過。
導電：在柵源極間（G-S）加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面
當UGS大於UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN接面J1消失，漏極和源極導電。

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關係稱為MOSFET的轉移特性，ID較大時，ID與UGS的關係近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs
MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區（對應於GTR的截止區）；飽和區（對應於GTR的放大區）；非飽和區（對應於GTR的飽和區）。

電力MOSFET工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極體，漏源極間加反向電壓時器件導通。電力MOSFET的通態電阻具有正溫度係數，對器件並聯時的均流有利。

MOS管相比於三極體，開關速度快，導通電壓低，電壓驅動簡單，所以越來越受工程師的喜歡，然而，若不當設計，哪怕是小功率MOS管，也會導致晶片燒壞，原本想著更簡單的。

MOS管的輸入與輸出是相位相反，恰好180度，也就是等效於一個反相器，也可以理解為一個反相工作的運放，如下圖：

第一部分 最大額定引數

最大額定引數，所有數值取得條件(Ta=25℃)

VDSS 最大漏-源電壓

在柵源短接，漏-源額定電壓(VDSS)是指漏-源未發生雪崩擊穿前所能施加的最大電壓。根據溫度的不同，實際雪崩擊穿電壓可能低於額定VDSS。關於V(BR)DSS的詳細描述請參見靜電學特性.

VGS 最大柵源電壓

VGS額定電壓是柵源兩極間可以施加的最大電壓。設定該額定電壓的主要目的是防止電壓過高導致的柵氧化層損傷。實際柵氧化層可承受的電壓遠高於額定電壓，但是會隨製造工藝的不同而改變，因此保持VGS在額定電壓以內可以保證應用的可靠性。

ID - 連續漏電流

ID定義為晶片在最大額定結溫TJ(max)下，管表面溫度在25℃或者更高溫度下，可允許的最大連續直流電流。該引數為結與管殼之間額定熱阻RθJC和管殼溫度的函式：

ID中並不包含開關損耗，並且實際使用時保持管表面溫度在25℃（Tcase）也很難。因此，硬開關應用中實際開關電流通常小於ID 額定值@ TC = 25℃的一半，通常在1/3～1/4。補充，如果採用熱阻JA的話可以估算出特定溫度下的ID，這個值更有現實意義。

IDM -脈衝漏極電流

該引數反映了器件可以處理的脈衝電流的高低，脈衝電流要遠高於連續的直流電流。定義IDM的目的在於：線的歐姆區。對於一定的柵-源電壓，MOSFET導通後，存在最大的漏極電流。如圖所示，對於給定的一個柵-源電壓，如果工作點位於線性區域內，漏極電流的增大會提高漏-源電壓，由此增大導通損耗。長時間工作在大功率之下，將導致器件失效。因此，在典型柵極驅動電壓下，需要將額定IDM設定在區域之下。區域的分界點在Vgs和曲線相交點。

PD -容許溝道總功耗

容許溝道總功耗標定了器件可以消散的最大功耗，可以表示為最大結溫和管殼溫度為25℃時熱阻的函式。

TJ, TSTG-工作溫度和儲存環境溫度的範圍

這兩個引數標定了器件工作和儲存環境所允許的結溫區間。設定這樣的溫度範圍是為了滿足器件最短工作壽命的要求。如果確保器件工作在這個溫度區間內，將極大地延長其工作壽命。

EAS-單脈衝雪崩擊穿能量

如果電壓過沖值(通常由於漏電流和雜散電感造成)未超過擊穿電壓，則器件不會發生雪崩擊穿，因此也就不需要消散雪崩擊穿的能力。雪崩擊穿能量標定了器件可以容忍的瞬時過沖電壓的安全值，其依賴於雪崩擊穿需要消散的能量。

定義額定雪崩擊穿能量的器件通常也會定義額定EAS。額定雪崩擊穿能量與額定UIS具有相似的意義。EAS標定了器件可以安全吸收反向雪崩擊穿能量的高低。

L是電感值，iD為電感上流過的電流峰值，其會突然轉換為測量器件的漏極電流。電感上產生的電壓超過MOSFET擊穿電壓後，將導致雪崩擊穿。雪崩擊穿發生時，即使 MOSFET處於關斷狀態，電感上的電流同樣會流過MOSFET器件。電感上所儲存的能量與雜散電感上儲存，由MOSFET消散的能量類似。

MOSFET並聯後，不同器件之間的擊穿電壓很難完全相同。通常情況是：某個器件率先發生雪崩擊穿，隨後所有的雪崩擊穿電流(能量)都從該器件流過。

EAR -重複雪崩能量

重複雪崩能量已經成為“工業標準”，但是在沒有設定頻率，其它損耗以及冷卻量的情況下，該引數沒有任何意義。散熱(冷卻)狀況經常制約著重複雪崩能量。對於雪崩擊穿所產生的能量高低也很難預測。

額定EAR的真實意義在於標定了器件所能承受的反覆雪崩擊穿能量。該定義的前提條件是：不對頻率做任何限制，從而器件不會過熱，這對於任何可能發生雪崩擊穿的器件都是現實的。在驗證器件設計的過程中，最好可以測量處於工作狀態的器件或者熱沉的溫度，來觀察MOSFET器件是否存在過熱情況，特別是對於可能發生雪崩擊穿的器件。

IAR - 雪崩擊穿電流

對於某些器件，雪崩擊穿過程中晶片上電流集邊的傾向要求對雪崩電流IAR進行限制。這樣，雪崩電流變成雪崩擊穿能量規格的“精細闡述”；其揭示了器件真正的能力。

第二部分 靜態電特性

V(BR)DSS：漏-源擊穿電壓(破壞電壓)

V(BR)DSS（有時候叫做VBDSS）是指在特定的溫度和柵源短接情況下，流過漏極電流達到一個特定值時的漏源電壓。這種情況下的漏源電壓為雪崩擊穿電壓。

V(BR)DSS是正溫度係數，溫度低時V(BR)DSS小於25℃時的漏源電壓的最大額定值。在-50℃, V(BR)DSS大約是25℃時最大漏源額定電壓的90%。

VGS(th)，VGS(off)：閾值電壓

VGS(th)是指加的柵源電壓能使漏極開始有電流，或關斷MOSFET時電流消失時的電壓，測試的條件（漏極電流，漏源電壓，結溫）也是有規格的。正常情況下，所有的MOS柵極器件的閾值電壓都會有所不同。因此，VGS(th)的變化範圍是規定好的。VGS(th)是負溫度係數，當溫度上升時，MOSFET將會在比較低的柵源電壓下開啟。

RDS(on)：導通電阻

RDS(on)是指在特定的漏電流（通常為ID電流的一半）、柵源電壓和25℃的情況下測得的漏-源電阻。

IDSS：零柵壓漏極電流

IDSS是指在當柵源電壓為零時，在特定的漏源電壓下的漏源之間洩漏電流。既然洩漏電流隨著溫度的增加而增大，IDSS在室溫和高溫下都有規定。漏電流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之間的電壓計算，通常這部分功耗可以忽略不計。

IGSS ―柵源漏電流

IGSS是指在特定的柵源電壓情況下流過柵極的漏電流。

第三部分 動態電特性

Ciss ：輸入電容

將漏源短接，用交流訊號測得的柵極和源極之間的電容就是輸入電容。Ciss是由柵漏電容Cgd和柵源電容Cgs並聯而成，或者Ciss = Cgs +Cgd。當輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關斷。因此驅動電路和Ciss對器件的開啟和關斷延時有著直接的影響。

Coss ：輸出電容

將柵源短接，用交流訊號測得的漏極和源極之間的電容就是輸出電容。Coss是由漏源電容Cds和柵漏電容Cgd並聯而成，或者Coss = Cds +Cgd對於軟開關的應用，Coss非常重要，因為它可能引起電路的諧振

Crss ：反向傳輸電容

在源極接地的情況下，測得的漏極和柵極之間的電容為反向傳輸電容。反向傳輸電容等同於柵漏電容。Cres =Cgd，反向傳輸電容也常叫做米勒電容，對於開關的上升和下降時間來說是其中一個重要的引數，他還影響這關斷延時時間。電容隨著漏源電壓的增加而減小，尤其是輸出電容和反向傳輸電容。

Qgs, Qgd, 和 Qg ：柵電荷

柵電荷值反應儲存在端子間電容上的電荷，既然開關的瞬間，電容上的電荷隨電壓的變化而變化，所以設計柵驅動電路時經常要考慮柵電荷的影響。

Qgs從0電荷開始到第一個拐點處，Qgd是從第一個拐點到第二個拐點之間部分（也叫做“米勒”電荷），Qg是從0點到VGS等於一個特定的驅動電壓的部分。

漏電流和漏源電壓的變化對柵電荷值影響比較小，而且柵電荷不隨溫度的變化。測試條件是規定好的。柵電荷的曲線圖體現在資料表中，包括固定漏電流和變化漏源電壓情況下所對應的柵電荷變化曲線。在圖中平臺電壓VGS(pl)隨著電流的增大增加的比較小（隨著電流的降低也會降低）。平臺電壓也正比於閾值電壓，所以不同的閾值電壓將會產生不同的平臺電壓。

td(on) ：導通延時時間

導通延時時間是從當柵源電壓上升到10%柵驅動電壓時到漏電流升到規定電流的10%時所經歷的時間。

td(off) ：關斷延時時間

關斷延時時間是從當柵源電壓下降到90%柵驅動電壓時到漏電流降至規定電流的90%時所經歷的時間。這顯示電流傳輸到負載之前所經歷的延遲。

tr ：上升時間

上升時間是漏極電流從10%上升到90%所經歷的時間。

tf ：下降時間

下降時間是漏極電流從90%下降到10%所經歷的時間