功率MOSFET是從小功率MOS管展開來(lái)的。但在結(jié)構(gòu)上，它們之間相差很大，為了更好天文解功率MOSFET的機(jī)理，首先來(lái)回想一下小功率場(chǎng)效應(yīng)管的機(jī)理。以下以N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明MOS管的原理。
N溝道增強(qiáng)型小功率MOSFET的結(jié)構(gòu)表示圖
N溝道增強(qiáng)型MOS管是把一塊低摻雜的P型半導(dǎo)體作為襯底，在襯底上面用擴(kuò)散的方法構(gòu)成兩各重?fù)诫s的N＋區(qū)，然后在P型半導(dǎo)體上生成很薄的一層二氧化硅絕緣層，然后在兩個(gè)重?fù)诫s的N+區(qū)上端用光刻的辦法刻蝕掉二氧化硅層，顯露N+區(qū)，最后在兩個(gè)N+區(qū)的表面以及它們之間的二氧化硅表面用蒸發(fā)或者濺射的辦法噴涂一層金屬膜，這三塊金屬膜構(gòu)成了MOS管的三個(gè)電極，分別稱為源極(S)、柵極(G)和漏極(D)。
MOSFET的特性可以用轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線來(lái)表征。轉(zhuǎn)移特性是指在漏源之間的電壓UDS在某一固定值時(shí)，柵極電壓UGS與相對(duì)應(yīng)的漏極電流ID之間的關(guān)系曲線。圖3是某種場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性。
圖MOS管的漏極輸出特性場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸出特性可以劃分為四個(gè)區(qū)域：可變電阻區(qū)、截止區(qū)、擊穿區(qū)和恒流區(qū)。 可變電阻區(qū)（UDS）
在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，UDS增加時(shí)，ID線性增加。在導(dǎo)電溝道接近夾斷時(shí)，增長(zhǎng)變緩。在低UDS分開夾斷電壓較大時(shí)，MOS管相當(dāng)于一個(gè)電阻，此電阻隨著UGS的增大而減小。截止區(qū)（UGS）
擊穿區(qū)在相當(dāng)大的漏－源電壓UDS區(qū)域內(nèi)，漏極電流近似為一個(gè)常數(shù)。當(dāng)UDS加大道一定數(shù)值以后，漏極PN結(jié)發(fā)作擊穿，漏電流疾速增大，曲線上翹，進(jìn)入擊穿區(qū)。飽和區(qū)（UDS>UGS-UT）在上述三個(gè)區(qū)域保衛(wèi)的區(qū)域即為飽和區(qū)，也稱為恒流區(qū)或放大區(qū)。功率MOSFET應(yīng)用在開關(guān)電源和逆變器等功率變換中，就是工作在截止區(qū)和擊穿區(qū)兩個(gè)區(qū)。
功率MOSFET結(jié)構(gòu)特性
圖中MOSFET的結(jié)構(gòu)是不合適運(yùn)用在大功率的場(chǎng)所，緣由是兩個(gè)方面的。一方面是結(jié)構(gòu)上小功率MOSFET三個(gè)電極在一個(gè)平面上，溝道不能做得很短，溝道電阻大。另一方面是導(dǎo)電溝道是由表面感應(yīng)電荷構(gòu)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(jié)構(gòu)要做到很大的電流可能性也很小。
為了抑止MOSFET的載流才干太小和導(dǎo)通電阻大的難題，在大功率MOSFET中通常采用兩種技術(shù)，一種是將數(shù)百萬(wàn)個(gè)小功率MOSFET單胞并聯(lián)起來(lái)，進(jìn)步MOSFET的載流才干。另外一種技術(shù)就是對(duì)MOSFET的結(jié)構(gòu)中止改進(jìn)，采用一種垂直V型槽結(jié)構(gòu)。圖3是V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3V型槽MOSFET結(jié)構(gòu)剖面圖在該結(jié)構(gòu)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(dòng)，而是自重?fù)诫sN區(qū)（源極S）動(dòng)身，經(jīng)過(guò)P溝道流入輕摻雜N漂移區(qū)，最后垂直向下抵達(dá)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(jīng)過(guò)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(shù)據(jù)表中的第一頁(yè)，列出了連續(xù)漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然后對(duì)于許多電子工程師來(lái)說(shuō)，他們對(duì)于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統(tǒng)的闡述這些問題,并說(shuō)明了在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中如何考慮這些因素，最后給出了選取它們的原則。
連續(xù)漏極電流
連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對(duì)于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，通常連續(xù)漏極電流ID是一個(gè)計(jì)算值。
當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：
當(dāng)功率MOSFET流過(guò)最大的連續(xù)漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為PD：
因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計(jì)算公式：
其中，RDS(ON)_TJ(max)為在最大工作結(jié)溫TJ下，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻；通常，硅片允許的最大工作結(jié)溫為150℃。
所以，連續(xù)漏極電流ID是基于硅片最大允許結(jié)溫的計(jì)算值，不是一個(gè)真正的測(cè)量值，而且是基于TC=25℃的計(jì)算值。RqJC，TC，這里的C: Case，是裸露銅皮，不是塑料外殼，實(shí)際應(yīng)用中TC遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25℃，有些應(yīng)用甚至高達(dá)120℃以上，因此ID只具有一定的參考價(jià)值。另外，連續(xù)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。
封裝限制通常是指連接線的電流處理能力,導(dǎo)線直徑對(duì)于流過(guò)的電流也有一定的限制。對(duì)于額定的連接線的電流限制，常用方法是基于連接線的熔化溫度。這并不正確的原因在于：當(dāng)連接線溫度大于220℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線的電阻的10倍以上，大部分熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220oC, 因此不會(huì)存在連接線熔化問題，連接線的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會(huì)發(fā)生。
有裸露銅皮器件在封裝過(guò)程中硅片通過(guò)焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會(huì)使局部的連接電阻分布不均勻，通過(guò)連接線連接硅片的管腳，在連接線和硅片結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的基于封裝限制連續(xù)漏極電流會(huì)小于基于最大結(jié)溫計(jì)算的電流。
在數(shù)據(jù)表中，對(duì)于連續(xù)漏極電流有二種標(biāo)示法,不同的公司采用不同的方法：
(1) 數(shù)據(jù)表的表中，標(biāo)示基于最大結(jié)溫的計(jì)算值,通常在數(shù)據(jù)表底部的的注釋中，說(shuō)明基于封裝限制的最大的連續(xù)漏極電流，如下圖所示，202A和75A。
(2) 直接在數(shù)據(jù)表的表中，標(biāo)示基于封裝限制的連續(xù)漏極電流，而不再使用注釋，如上面AON6590數(shù)據(jù)表中，標(biāo)示的就是封裝限制的電流。
測(cè)量器件的熱阻，通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對(duì)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?yōu)镽qJL，RqJL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。
等效熱阻模型
RqJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測(cè)量的值，不是只靠器件本身單獨(dú)散熱時(shí)的測(cè)試值。實(shí)際的應(yīng)用中，通常RqJT+RqTA>>RqJC+RqCA，器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為：RqJA=RqJC+RqCA。熱阻確定了就可以用公式計(jì)算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，計(jì)算ID的值相應(yīng)也會(huì)降低。
裸露銅皮的封裝，使用RqJC或RqJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫，通常可以增大散熱器，提高器件通過(guò)電流的能力。底部沒有裸露銅皮的封裝，使用RqJL或RqJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。
數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要計(jì)算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再據(jù)功耗和熱阻來(lái)校核結(jié)溫，保證其結(jié)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的數(shù)據(jù)表中標(biāo)示為IDM，對(duì)于這個(gè)電流值，要結(jié)合放大特性來(lái)理解它的定義。
功率MOSFET工作也可以工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)，此時(shí)，電流受到溝道內(nèi)電子數(shù)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(qū)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作可變電阻區(qū)，此時(shí)，VGS驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)的的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大電流，因此在導(dǎo)通過(guò)程中，功率MOSFET要經(jīng)過(guò)Miller平臺(tái)區(qū)，此時(shí)Miller平臺(tái)區(qū)的的電壓VGS對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的最大電流。
然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區(qū)，最后，VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，Miller平臺(tái)區(qū)的電壓和系統(tǒng)最大電流的關(guān)系必須滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。
MOSFET輸出特性
對(duì)于某一個(gè)值的VGS1，在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為ID1，器件不可能流過(guò)大于ID1的電流，轉(zhuǎn)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(qū)時(shí)，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(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制：
其中，gfsFS為跨導(dǎo)。
轉(zhuǎn)移工作特性
器件工作在線性區(qū)，功耗為電流和壓降乘積，因此產(chǎn)生較大功耗，此電流該參數(shù)反映了器件可以處理的脈沖電流的能力，脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下，長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率之下，功率MOSFET的結(jié)溫可能會(huì)超出范圍，將導(dǎo)致器件失效。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻，可以滿足電流范圍更大。
這也表明，數(shù)據(jù)表中功率MOSFET的脈沖漏極電流額定值IDM對(duì)應(yīng)著器件允許的最大的VGS，在此條件下器件工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)時(shí)，器件能夠通過(guò)的最大漏極電流，同樣，最大VGS的和IDM也要滿足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。
溫度升高依賴于脈沖寬度、脈沖間的時(shí)間間隔、散熱狀況、以及脈沖電流波形和幅度。單純滿足脈沖電流不超出IDM上限并不能保證結(jié)溫不超過(guò)最大允許值，要參考熱性能和瞬時(shí)熱阻，來(lái)估計(jì)脈沖電流下結(jié)溫，也就是最大的脈沖漏極電流IDM還要滿足最大結(jié)溫的限制，因此IDM要滿足二個(gè)條件：
(1) 在一定的脈沖寬度下，基于功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測(cè)量值；數(shù)據(jù)表中，VGS=10V，260us電流脈沖時(shí)，真正的單脈沖的電流測(cè)量值。
(2)在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和最大結(jié)溫的計(jì)算值。數(shù)據(jù)表中，脈沖寬度取260us。
雪崩電流
雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET抗過(guò)壓沖擊的能力。在測(cè)試過(guò)程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開通的時(shí)間增加，然后關(guān)斷，直到功率MOSFET損壞，對(duì)應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。
在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱的IAV通常要將前面的測(cè)試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù)。一些功率MOSFET供應(yīng)商會(huì)對(duì)這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線上做100%全部檢測(cè)，因?yàn)橛薪殿~，因此不會(huì)損壞器件。
注意：測(cè)量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開關(guān)狀態(tài)下，因此功率MOSFET不是工作在放大區(qū)，而是工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續(xù)的漏極電流值ID。
采用的電感值越大，雪崩電流值越小，但雪崩能量越大，生產(chǎn)線上需要測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，生產(chǎn)率越低。電感值太小，雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH，此時(shí)，雪崩電流相對(duì)于最大的連續(xù)的漏極電流值ID有明顯的改變，而且測(cè)試時(shí)間比較合適范圍。
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