MOSFET是開(kāi)關(guān)電源中的重要元器件，也是比較難掌握的元器件之一，尤其在LLC，LCC軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于MOSFET元器件本身的理解尤其重要，理解透徹了，也就應(yīng)用自如了。本文會(huì)從理論上對(duì)MOSFET的重要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行介紹。
1. 功率損耗
MOSFET的功率損耗主要受限于MOSFET的結(jié)溫，基本原則就是任何情況下，結(jié)溫不能超過(guò)規(guī)格書(shū)里定義的最高溫度。而結(jié)溫是由環(huán)境溫度和MOSFET自身的功耗決定的。下圖是典型的功率損耗與MOSFET表面結(jié)溫（Case temp.）的曲線(xiàn)圖。
一般MOSFET的規(guī)格書(shū)里面會(huì)定義兩個(gè)功率損耗參數(shù)，一個(gè)是歸算到芯片表面的功率損耗，另一個(gè)是歸算到環(huán)境溫度的功率損耗。這兩個(gè)參數(shù)可以通過(guò)如下兩個(gè)公式獲得，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，與功耗溫度曲線(xiàn)密切相關(guān)的重要參數(shù)熱阻，是材料和尺寸或者表面積的函數(shù)。隨著結(jié)溫的升高，允許的功耗會(huì)隨之降低。
根據(jù)最大結(jié)溫和熱阻，可以推算出MOSFET可以允許的最大功耗。
歸算到環(huán)境溫度的熱阻是布板，散熱片和散熱面積的函數(shù)，如果散熱條件良好，可以極大提升MOSFET的功耗水平。
2. 漏極（溝道）電流
規(guī)格書(shū)中會(huì)定義最大持續(xù)漏極電流和最大脈沖電流，如下圖。一般規(guī)格書(shū)中最大脈沖電流會(huì)定義在最大持續(xù)電流的4倍，并且隨著脈沖寬度的增加，最大脈沖電流會(huì)隨之減少，主要原因就是MOSFET的溫度特性，這一點(diǎn)可以從之后講到的安全工作區(qū)圖形中清楚看到。
理想情況下，理論上最大持續(xù)電流只依賴(lài)于最大功耗，此時(shí)最大持續(xù)電流可以通過(guò)功率公式（P=I^2 R）推算出。如下式：
然而實(shí)際中，其他條件會(huì)限制理論上計(jì)算出來(lái)的最大持續(xù)電流，比如銅線(xiàn)直徑，芯片工藝與組裝水平等。比如上式中計(jì)算的最大持續(xù)電流為169A，但是考慮到其他約束條件，實(shí)際只能達(dá)到100A。所以制造商的工藝水平某種程度上決定了設(shè)計(jì)余量，知名廠(chǎng)商往往強(qiáng)項(xiàng)就在于此。下圖就是實(shí)際的持續(xù)電流與結(jié)溫的關(guān)系曲線(xiàn)圖，脈沖電流是由安全工作區(qū)決定的。
3. 安全工作區(qū)
安全工作區(qū)可以說(shuō)是MOSFET最重要的數(shù)據(jù)，也是設(shè)計(jì)者最重要的設(shè)計(jì)參考。下圖是典型的安全工作區(qū)圖形。
由上圖可知，MOSFET的SOA實(shí)際上有5條限制線(xiàn)，這5條限制線(xiàn)決定了SOA的區(qū)域。細(xì)節(jié)如下圖：
1）Rdson限制線(xiàn)
Rdson限制線(xiàn)是Vds和Ids的函數(shù)，這天直線(xiàn)的斜率就是MOSFET的最大Rdson（Vgs=10V, Tj=150℃），因此Rdson限制線(xiàn)可以由下式給出：
由上式可知：
因?yàn)殡S著 Vgs降低Rdson會(huì)增加，因此對(duì)于較低的Vgs,Rdson限制線(xiàn)會(huì)向下移動(dòng)。
因?yàn)镽dson會(huì)隨著Tj的降低而增大，因此對(duì)于Tj小于150C的情況，Rdson會(huì)向上移動(dòng)。
2）封裝限制線(xiàn)
當(dāng)順著Rdson向著更大電壓和電流的方向移動(dòng)就會(huì)到達(dá)封裝限制線(xiàn)。不同封裝的MOSFET和工藝水平?jīng)Q定了這條線(xiàn)的水平。封裝限制線(xiàn)并不隨著溫度變化而變化。
3）最大功率限制線(xiàn)
封裝限制線(xiàn)之后就是最大功率限制線(xiàn)，這條線(xiàn)的規(guī)則就是MOSFET功耗產(chǎn)生的溫升加上25C不能超過(guò)MOSFET的最大結(jié)溫，比如150C。MOSFET的散熱條件對(duì)這條限制線(xiàn)影響很大，因此與溫度相關(guān)的變量，比如熱阻，Tc和功耗也就限制了應(yīng)用。
可以得出：
Ids受限于最大結(jié)溫Tj，最大允許溫升是由Tj和Tc之差決定的。
Ids受限于熱阻ZthJC的影響，脈沖情況下的ZthJC是由脈沖長(zhǎng)度與占空比決定的。
4）溫度穩(wěn)定（不穩(wěn)定）限制線(xiàn)
跟隨者最大功率限制線(xiàn)就是溫度不穩(wěn)定限制線(xiàn)，這條限制線(xiàn)是設(shè)計(jì)者比較容易忽視的限制線(xiàn)。要深入理解此條限制線(xiàn)，需要理解MOSFET溫度不穩(wěn)定的條件是什么。MOSFET溫度達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)，意味著隨著溫度的變化，MOSFET產(chǎn)生的功耗快于MOSFET耗散的功耗。也就是如下公式：
在這樣的條件下，MOSFET的溫度達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)一步分析公式：
由此得出：
通常情況下，Vds可以認(rèn)為隨著溫度變化基本不變，Ids/T稱(chēng)為溫度系數(shù)。由于Vds>0, 1/ZthJC(tpulse)>0, 因此如果發(fā)生不穩(wěn)定，也就是上式要成立，有且只有溫度系數(shù)Ids/T>0才有可能發(fā)生。但是怎么從MOSFET的規(guī)格書(shū)中得到這一信息那？大多數(shù)規(guī)格書(shū)中并不會(huì)直接給出這個(gè)溫度系數(shù)的。但是可以從其他曲線(xiàn)中推導(dǎo)出來(lái)。比如規(guī)格書(shū)中Ids over Vgs的曲線(xiàn)（不同溫度下）。舉例說(shuō)明，如下圖所示，分別畫(huà)出了在25C Tj和150C Tj情況下的曲線(xiàn)。由圖中可以看出，Vgs=2.5V下，Ids隨著溫度的增加而增加，也就意味著Vgs=2.5V下，溫度系數(shù)為正。在Vgs=3.5V下，Ids隨著溫度的增加而減小，也就意味著Vgs=3.5V下，溫度系數(shù)為負(fù)。25C曲線(xiàn)和150C曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)被稱(chēng)為零溫度系數(shù)點(diǎn)（ZTC），很顯然，只要Vgs小于ZTC交叉點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生溫度的不穩(wěn)定。
溫度系數(shù)由正溫度系數(shù)變?yōu)樨?fù)溫度系數(shù)理論上是兩個(gè)參數(shù)互相競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。一方面Rdson隨著溫度的升高而變大，另一方面Vth隨著溫度的升高而減小，在溫度較高的時(shí)候，Rdson起主導(dǎo)，因此溫度升高，電流減小。溫度較低的時(shí)候，Vth起主導(dǎo)。溫度升高，電流升高。
溫度的不穩(wěn)定區(qū)域發(fā)生在Vgs小于ZTC對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)，ZTC是MOSFET跨導(dǎo)的函數(shù)，MOSFET的跨導(dǎo)越大，ZTC對(duì)應(yīng)的Vgs也越高。而現(xiàn)在的MOSFET的工藝，尤其是CoolMos或者DTMOS，跨導(dǎo)會(huì)越來(lái)越大，因此對(duì)于Vgs的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。
5）擊穿電壓限制線(xiàn)
SOA的右半面就是擊穿電壓限制線(xiàn)，也就是BVDSS。BVDSS是Tj的函數(shù)，這一點(diǎn)要格外注意，尤其在低溫應(yīng)用的時(shí)候，BVDSS會(huì)衰減，確保低溫下，電壓應(yīng)力滿(mǎn)足要求。
4. 最大瞬態(tài)熱阻抗-ZthJC
熱阻抗由兩部分構(gòu)成，一部分是熱態(tài)電阻Rth，另一部分是熱態(tài)電容Cth。
RthJC是從芯片的結(jié)到達(dá)表面的熱阻，這個(gè)路徑?jīng)Q定了芯片本身的溫度（功耗、熱阻、Tc）。
ZthJC同時(shí)也考慮了Cth無(wú)功功率帶來(lái)的溫度影響。這個(gè)參數(shù)通常用來(lái)計(jì)算由瞬態(tài)功耗帶來(lái)的溫度累加。
5. 典型輸出特性
MOSFET的典型輸出特性描繪了漏極電流Id在常溫下與Vds和Vgs的關(guān)系。
對(duì)于MOSFET工作于開(kāi)關(guān)的應(yīng)用，應(yīng)該使得MOSFET工作在“ohmic”區(qū)域，劃分ohmic區(qū)域與飽和區(qū)域的臨界線(xiàn)是由Vds=Vgs-Vgs(th)決定的。
6. Rds(on)
Rds(on)是漏極電流Id的函數(shù)，由MOSFET的典型應(yīng)用曲線(xiàn)以及歐姆定律可以得到：
從曲線(xiàn)可以看出，Vgs對(duì)于Rds(on)起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于MOSFET，一定要使得MOSFET徹底開(kāi)通，不能設(shè)計(jì)在欠驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。一般而言，對(duì)于功率型MOSFET，10V的驅(qū)動(dòng)電壓是比較推薦的。
另外Rds(on)也是Tj的函數(shù)，一般可用如下公式進(jìn)行計(jì)算：
a是依賴(lài)于溝道技術(shù)參數(shù)，工藝和使用技術(shù)定下來(lái)，a是常量。比如英飛凌的OptiMOS功率MOSFET, a可以取值0.4。
7. 跨導(dǎo)
跨導(dǎo)反映了漏極電流Id對(duì)于Vgs變異的敏感程度。
對(duì)于應(yīng)用MOSFET做自激諧振的線(xiàn)路里面，跨導(dǎo)參數(shù)的大小起著重要的作用。
8. 門(mén)極門(mén)檻電壓Vth
門(mén)檻電壓Vth定義在出現(xiàn)指定的漏極電流下的驅(qū)動(dòng)電壓。MOSFET的量產(chǎn)線(xiàn)上，Vth是在25C溫度下，Vds=Vgs，漏極電流是uA級(jí)別下測(cè)量的。
門(mén)檻電壓會(huì)隨著溫度的升高而減小，如下圖所示：
9. 寄生電容
MOSFET的寄生電容由三類(lèi)，它們分別是門(mén)極源極電容，門(mén)極漏極電容以及漏極源極電容。這些電容不能直接測(cè)量到，它們是通過(guò)測(cè)量輸入、輸出和反向傳輸電容等參數(shù)然后計(jì)算得到。這三類(lèi)寄生電容之間的關(guān)系如下：
這三類(lèi)電容是漏源電壓（Vds）的函數(shù)，它們會(huì)隨著Vds的變化而變化，主要原因在于當(dāng)Vds變化時(shí)，溝道的空間大小會(huì)隨著改變，因此寄生電容也就隨之改變。
10. 反向二極管特性
MOSFET都有一個(gè)寄生的反向二極管，這個(gè)二極管的相關(guān)參數(shù)會(huì)有MOSFET的規(guī)格書(shū)給出，如下：
二極管正向持續(xù)電流：最大允許的正向持續(xù)電流，定義在25C，通常這個(gè)電流等于MOSFET的最大持續(xù)電流。
二極管脈沖電流：最大允許的最大脈沖電流，通常這個(gè)電流等于MOSFET的最大脈沖電流。
二極管正向壓降：二極管導(dǎo)通時(shí)，在規(guī)定的IF下測(cè)到的MOSFET源漏極間壓降。
反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)電荷完全移除所需要的時(shí)間。
反向恢復(fù)電荷：二極管導(dǎo)通期間存儲(chǔ)在二極管中的電荷。二極管完全恢復(fù)到阻斷狀態(tài)之前需要移除這些存儲(chǔ)的電荷。開(kāi)
關(guān)是電流變化的速率越大（di/dt），存儲(chǔ)的反向恢復(fù)電荷就越多。
其中反向恢復(fù)時(shí)間trr是設(shè)計(jì)LCC，LLC諧振線(xiàn)路拓?fù)渲行枰攸c(diǎn)看的參數(shù)之一，原因在于基本所有的LCC和LLC諧振線(xiàn)路，在啟動(dòng)過(guò)程中，前幾個(gè)周期都會(huì)存在二極管反向恢復(fù)過(guò)程中另一個(gè)MOSFET已經(jīng)開(kāi)通，這個(gè)時(shí)候就會(huì)通過(guò)很大的di/dt，如果寄生的反向二極管能力不夠，MOSFET就會(huì)擊穿而失效。
另外寄生二極管的正向電流If是源漏電壓Vsd的函數(shù)，如下：
11. Avalanche特性
脈沖avalanche電流大小Iav與脈沖avalanche時(shí)間tav的關(guān)系如下圖：
Avalanche 電流于avalache 時(shí)間是由MOSFET的最大結(jié)溫以及avalanche能量限定的。Avalanche 的脈沖寬度長(zhǎng)，允許的avalanche 的電流就越小。
12. 源漏擊穿電壓
源漏擊穿電壓是Tj的函數(shù)，這個(gè)特性往往被設(shè)計(jì)者忽略，尤其產(chǎn)品設(shè)計(jì)是寬溫的應(yīng)用情況，需要考慮MOSFET低溫下?lián)舸╇妷旱膁erating。
13. 典型的門(mén)極驅(qū)動(dòng)
以下是典型的門(mén)極驅(qū)動(dòng)波形：
14. 開(kāi)關(guān)特性
下表列示了典型的MOSFET規(guī)格書(shū)中定義的開(kāi)關(guān)時(shí)間：
具體開(kāi)關(guān)時(shí)間的定義如下圖：
參考文獻(xiàn)：Infineon Application Note 2012-03
