理解功率MOSFET管的电流

只看该作者 · 2016-8-15 14:18

上周我们推送一篇高大上的SiC应用**，许多资深工程师为之振奋，一些年轻工程师表示要加紧学习，快速提高自己的水平。今天我们再回到基本面，学习功率MOSFET一些基础知识。

10多年前做研发使用功率MOSFET、查阅产品数据表的时候，看到前面好几个电流的定义：连续漏极电流ID、IDSM、脉冲漏极电流IDM、雪崩电流IAS的额定值，记得当时作者就看得云里雾里、一脸茫然，后来一直想弄明白这些电流的定义，当时资料有限，于是作者就根据数据表，推断它们的定义，然后分享给我们的客户工程师。在编辑此文过程中，刚好有一个台湾的客户，要求我们帮忙测试一下MOSFET的ID的值，可见，仍然有一些工程师不太了解MOSFET电流的定义。

现在，在一些半导体公司的网站可以查看到这样的相关资料，但是我们在这里会做更详细的介绍，让我们的电子工程师理解这些电流值的定义以及在实际的设计过程中，它们如何影响系统以及如何选取这些电流值。

AON6590(40V，0.99mΩ)电流
连续漏极电流ID

脉冲漏极电流IDM

连续漏极电流IDSM

雪崩电流IAS

1 连续漏极电流ID

连续漏极电流在功率MOSFET的数据表中标示为电流ID，对于功率MOSFET来说，通常连续漏极电流是一个计算值。当器件的封装和芯片的大小一定时，如对于底部有裸露铜皮的封装TO220，D2PAK，DFN5*6，DPAK等，那么器件的结到裸露铜皮的热阻RqJC是一个确定值，根据硅片允许的最大工作结温TJ和裸露铜皮的温度TC，为常温25℃，就可以得到器件允许的最大的功耗PD，当功率MOSFET流过最大的连续漏极电流时，产生最大功耗为PD。

因此，二式联立，可以得到最大的连续漏极电流ID的计算公式：

其中，RDS(ON)_TJ(max)为在最大工作结温TJ下，功率MOSFET的导通电阻；通常，硅片允许的最大工作结温为150℃。

热阻RqJC的测量可以参见**：功率MOSFET的热阻特性

所以，连续漏极电流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，连续的额定电流还要受封装因素的限制：特别是底部具有裸露铜皮的封装。

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连续漏极电流会小于基于最大结温计算的电流。

在数据表中，对于连续漏极电流有二种标示法,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连续漏极电流，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连续漏极电流，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。

测量器件的热阻，通常是将器件安装在一个1平方英寸2oz的铜皮的PCB上，对于底部有裸露铜皮的封装，等效热阻模型如图1所示。如果没有裸露铜皮的封装，如SOT23，SO8等，图1中的RqJC通常要改变为RqJL，RqJL就是结到管脚的热阻，这个管脚是芯片内部与衬底相连的那个管脚。

图1：等效热阻模型

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的电流值连续漏极电流ID，当环境温度升高时，计算ID的值相应也会降低。

裸露铜皮的封装，使用RqJC或RqJA来校核功率MOSFET的结温，通常可以增大散热器，提高器件通过电流的能力。底部没有裸露铜皮的封装，使用RqJL或RqJA来校核功率MOSFET的结温，其散热的**要受限于晶片到PCB的热阻。

数据表中ID只考虑导通损耗，在实际的设计过程中，要计算功率MOSFET的最大功耗包括导通损耗、开关损耗、寄生二极管的损耗等，然后再据功耗和热阻来校核结温，保证其结温小于最大的允许值，最好有一定的裕量。

2 漏极电流IDSM

IDSM是基于硅片最大允许结温和RqJA计算值。

3 脉冲漏极电流

脉冲漏极电流在功率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工作也可以工作在饱和区，即放大区恒流状态，此时，电流受到沟道内电子数量的限制，改变漏极电压不能增加流通电流。功率MOSFET从放大区进入稳态工作可变电阻区，此时，VGS驱动电压对应的的放大恒流状态的漏极电流远远大于系统的最大电流，因此在导通过程中，功率MOSFET要经过Miller平台区，此时Miller平台区的的电压VGS对应着系统的最大电流。然后Miller电容的电荷全部清除后，VGS的电压才慢慢增加，进入到可变电阻区，最后，VGS稳定在最大的栅极驱动电压，Miller平台区的电压和系统最大电流的关系必须满足功率MOSFET的转移工作特性或输出特性。

图2：MOSFET输出特性

对于某一个值的VGS1，在转移工作特性或输出特性的电流为ID1，器件不可能流过大于ID1的电流，转移工作特性或输出特性限制着功率MOSFET的最大电流值。功率MOSFET工作在线性区时，最大的电流受到VGS的限制，也就是最大的电流IDM和最大的VGS要满足功率MOSFET的转移工作特性或输出特性限制：

其中，gfsFS为跨导。

图3：转移工作特性

器件工作在线性区，功耗为电流和压降乘积，因此产生较大功耗，此电流该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的能力，脉冲电流要远高于连续的直流电流。IDM工作在连续的状态下，长时间工作在大功率之下，功率MOSFET的结温可能会超出范围，将导致器件失效。在脉冲的状态下，瞬态的热阻小于稳态热阻，可以满足电流范围更大。

这也表明，数据表中功率MOSFET的脉冲漏极电流额定值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的转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，也就是最大的脉冲漏极电流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的转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)在一定的脉冲宽度下，基于瞬态的热阻和最大结温的计算值。数据表中，脉冲宽度取260us。

数据表IDM取两个值中较小的一个，功率MOSFET数据表后面通常列出了瞬态热阻的等效图。瞬态热曲线用来估计从瞬态功率损耗产生的瞬态温升,可以参见**：功率MOSFET的热阻特性。

有些公司在数据表中，直接用下面的公式来设定IDM：
IDM = 4·ID，TC = 25°C

也有公司在公式中采用系数值为3，这种是所谓的经验法，可以提供一些参考。

因为VGS限定的漏极的电流，单纯的考虑IDM对于实际应用没有太多的参考价值，实际应用中，栅极的驱动电压通常小于最大的额定电压。同样的在实际的栅极驱动电压下，单纯的考虑电流也没有意义，而是考虑最大漏极电流的持续时间。

IDM和实际的应用最相关的状态就是系统发生短路如在电机控制中，下一次我们专门讨论这个问题。