如何读懂MOS说明书.docx
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如何读懂MOS说明书
1
介绍功率半导体应用
Philips半导体
理解数据说明书:
功率MOS
所有功率MOS制造厂商都会提供每种型号产品的详细
说明书。
说明书用来说明各种产品的性能。
这对于
在不同厂商之间选择相同规格的器件很有用。
在一些
情况下,不同厂商所提供的参数所依据的条件可能有
微妙的区别,尤其在一些非重要参数例如切换时间。
另外,数据说明书所包含的信息不一定和应用相关
联。
因此在使用说明书和选择相同规格的器件时需要
特别当心以及要对数据的解释有确切的了解。
本文以
BUK553-100A为例,这是一种100V逻辑电平MOS管。
飞利浦的功率MOS数据说明书所包含的信息
数据说明书由以下八个部分组成:
*快速参考数据
*极限值
*热阻
*静态特性
*动态特性
*反向二极管极限值及特性
*雪崩极限值
*图形数据
下面叙述每一部分
快速参考数据
这些数据作为迅速选择的参考。
包括器件的关键参
数,这样工程师就能迅速判断它是否为合适的器件。
在所包括的五个参数中,最重要的是漏源电压VDS是
和开启状态下的漏源阻抗RDS(ON)。
VDS是器件在断开
状态下漏极和源极所能承受的最大电压。
RDS(ON)是
器件在给定栅源电压以及25˚C的结温这两个条
件下最大的开启阻抗(RDS(ON)由温度所决定,见其
静态特性部分)。
这两个参数可以说明器件最关键
的性能。
漏极电流值(ID)和总耗散功率都在这部分给出。
这
些数据必须认真对待因为在实际应用中数据说明书
的给定的条件很难达到(见极限值部分)。
在大多数
应用中,可用的dc电流要比快速参考说明中提供的值
要低。
限于所用的散热装置,大多数工程师所能接受
的典型功率消耗要小于20W(对于单独器件)。
结温(TJ)
通常给出的是150˚C或者175˚C。
器件内部温度不
建议超过这个值。
极限值
这个表格给出六个参数的绝对最大值。
器件可以在此
值运行但是不能超出这个值,一旦超出将会对器件发
生损坏。
漏源电压和漏栅电压有同样的值。
给出的数据为可以加
在各相应端所使用的最大电压。
栅源电压,VGS,给
出在栅极和源极之间允许加的最大电压。
一旦超过这
个电压值,即使在极短的时间内也会对栅极氧化层产
生永久性损害。
给出的两个直流漏极电流值ID,一个
是在背板温度为25˚C时,另一个是在背板温度为
100˚C时。
再且这些电流值不代表在运行过程中能够
达到。
当背板温度在所引述的值时,这些电流值将会
使得结温达到最大值。
因此最大电流降额作为背
板温度的函数,所引用的两个值曲线是降额曲线
上的两个点(见图一)。
引述的第三个电流值是脉冲峰值,IDM.功率MOS器
件总的来说都有很强的峰流通过能力。
连接管脚和
芯片上的内部接线决定该极限值。
IDM所能应用的
脉冲宽度取决于热考虑(见计算电流的部分)。
总消
耗功率,Ptot,以及最大结温在快速参考数据中也
已说明。
Ptot的值在等式1中以商的形式给出(见安全
运行区部分)。
所引述的条件是衬底温度保持在25˚C。
例
如,BUK553-100A的Ptot值为75W,消耗这个功率
使衬底温度保持在25˚C是极大的挑战。
衬底温度
越高,能耗散的总耗散功率越低。
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2
介绍功率半导体应用
Philips半导体
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ID%标准的电流降额
020406080100120140160180
Tmb/C
图.1标准连续漏极电流
ID%=100.ID/ID25˚C=f(Tmb);状态:
VGS³5V
热阻
给出两个非绝缘封装的热阻值。
从结点到背板的值
(Rthj-mb)表明当耗散一个给定的功率时,结温将会
比背板温度所高出多少。
以BUK553-100A为例,它的
Rthj-mb等于2K/W,耗散的功率为10W,结温将会高
于背板20˚C。
另一个数值是从结点到外界的环
境,这是一个更大的数值,它说明当器件不安
装散热器且在流通空气中运行时结温是如何升
高的。
以BUK553-100A为例,Rthj-a=60K/W,在
流通空气中功率的耗散为1W将会产生使结温高于外
界空气环境温度60˚C的情况。
很显然如果衬底温度等于最大允许的结温时,没
有功率可被耗散掉。
如图2的降额曲线,此器件的结
温为175˚C。
PD%标准的功率降额
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
020406080100120140160180
Tmb/C
图.2标准功率耗散
PD%=100PD/PD25˚C=f(Tmb)
引述的存储温度通常在-40/-55˚C和+150/+175˚C
之间。
存储温度和结温是由我们质量部门经过广泛的
可靠性测量后所指定的。
超过所给出的温度将会使可
靠性降低。
绝缘封装时,背板(硅芯片安装在上面的金属层)完全
压缩在塑料中。
因此无法给出结点到背板的热阻值,
取代之是结点到散热片的Rthj-hs,它表现出散热片复
合的作用。
当比较绝缘封装和非绝缘封装型号的热阻时必
须特别小心。
例:
非绝缘BUK553-100A的Rthj-mb为
2K/W。
绝缘BUK543-100A的Rthj-hs为5K/W。
它们有
同样的晶体但是所封装不同。
初比较时,非绝缘的型
号似乎可以承受更大功率(即电流)。
然而
BUK553-100A在结点到散热片的热阻测量中,这还包
括背板和散热片之间的额外热阻。
一些绝缘措施用在
大多数情况中,例如云母垫圈.其背板到散热片的热
阻为2K/W。
因此结点到散热片的总热阻为
Rthj-hs(非绝缘型)=Rthj-mb+Rthmb-hs=4K/W.
可以看出实际中绝缘和非绝缘型的型号区别并不大。
静态特性
这个部分的参数描述击穿电压,开启电压,泄漏电流,
开启阻抗的特性。
漏源击穿电压比漏源电压的极限值要大。
它可以用曲
线跟踪仪测量,当栅极端和源极端短路时,它是漏极
电流为250uA时的电压。
栅极开启电压VGS(TO),表示
的是使器件达到导通状态时栅极(相对于源极)所需
要的电压。
对于逻辑电平器件来说,栅极开启电压通
常在1.0和2.0V间;对于标准器件则是2.1到4V之间。
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3
介绍功率半导体应用
Philips半导体
ID/A
15
Tj/C=25150
1E-01
1E-02
ID/A
次开启传导
101E-03
2%typ98%
1E-04
5
1E-05
0
02468
VGS/V
图.3典型的传输特性
ID=f(VGS);状态:
VDS=25V;参数Tj
1E-06
00.40.81.21.622.4
VGS/V
图.5次开启漏极电流
ID=f(VGS);状态:
Tj=25˚C;VDS=VGS
(图.3)的表示漏极电流为VGS的函数说明典型的传
输特性。
(图.4)表示栅极开启电压随着结温而变化。
在次开启传导时,(图5)表示在VGS电平低于门槛时
漏极电流怎样随着栅源电压变化。
断电状态时泄漏电流是漏源和栅源在各自所能承受最
大电压情况下所规定的。
注意到尽管栅源泄漏电流以
十亿分之一安培为单位表示,它们的值遵循兆分之一
安培而变化。
ID/A
24
20
16
12
8
105
7
VGS/V=
4
3
VGS(TO)/V
2
max.
typ.
4
2
0
0246810
VDS/V
图.6典型的输出特性Tj=25˚C.ID=f(VGS);参数VGS
min.
1
0
-60-202060100140180
Tj/C
图.4栅极开启电压.
VGS(TO)=f(Tj);状态:
ID=1mA;VDS=VGS
漏源导通电阻具有重要意义。
它是当逻辑电平场效应
管栅源电压5V时的值;标准器件时栅源电压为10V
时的值。
在10V以上增加栅源电压时,标准MOS管的
导通电阻没有明显减少。
减少栅极电压然而可以增加
导通电阻。
对于逻辑电平场效应管来说,
BUK553-100A,在栅极电压为5V的情况下给出导通电
阻,然而当栅极电压到达10V时,导通电阻将明显减少,
这是由于其输出特性图.6和导通电阻特性图.7决定
(BUK553-100A)。
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4
介绍功率半导体应用
Philips半导体
导通电阻是温度敏感参数,在25˚C和150˚C间,它
的值近似变为两倍。
RDS(ON)栅源导通电阻与温度的
对应关系的图在每份数据说明书中都包含,如图8。
因为MOSFET正常运行Tj温度高于25˚C,当估算
MOSFET的耗散功率时,考虑RDS(ON)时会变大是很重要
的。
图.9表示BUK553-100A中作为漏极电流函数的Gfs是
怎样变化的。
gfs/S
10
9
8
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
RDS(ON)/Ohm
2.533.54
VGS/V=
4.5
5
10
7
6
5
4
3
2
1
0
02468101214161820
ID/A
图.9典型跨导,Tj=25˚C.gfs=f(ID);状态:
VDS=25V
0481216202428
ID/A
图.7典型的导通电阻,Tj=25˚C.RDS(ON)=f(ID);
参数VGS
10000
C/pF
a
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
标准化RDS(ON)=f(Tj)
1000
100
10
02040
VDS/V
Ciss
Coss
Crss
0.2
0
-60-202060100140180
Tj/C
图.10典型电容,Ciss,Coss,Crss.C=f(VDS);状
态:
VGS=0V;f=1MHz
图.8标准漏源导通电阻.a=RDS(ON)/RDS(ON)25˚C=f(Tj);
ID=6.5A;VGS=5V
动态特性
包括跨导,电容以及转换时间。
正向跨导Gfs,是
增益参数,它表示在器件饱和状态下,栅极电压
的变化引起的漏极电流的变化(MOSFET的饱和特
性参考输出特性的平面部分)。
电容被大多数制造厂商分成输入电容,输出电容以及
反馈电容。
所引述的值是在漏源电压为25V情况下的。
仅表明了一部分性质因为MOSFET电容值是依赖于电
压值的,当电压降低时电容升高。
图.10表明电容随电压的变化情况。
电容数值的作用
是有限的。
输入电容值只给出一个大概的驱动电路所
需的充电说明。
可能栅极充电信息更为有用。
如图11
给出的例子。
它表明为达到一个特定的栅源电压栅极
所必须充的电量。
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5
介绍功率半导体应用
Philips半导体
例如把BUK553-100A充电到VGS=5V,漏源电压为80V,
所需12.4nc的电量。
这样的充电速度可以满足栅极
电路电流的需要。
阻抗负载切换时间也被许多制造厂商所引述,然而必
须极其小心地比较不同制造厂商所给的数据说明。
功率MOSFET的切换速度只受电路以及封装自感限制,
电路中的实际速度是由内部电容被驱动电路充电和放
电的速度所决定的。
切换时间因此很大程度上取决于
所处的电路环境;一个低的栅极驱动电阻将会提供更
短的切换时间反之亦然。
飞利浦数据说明中所有的功
率MOS的切换时间都是在栅源之间放一50Ω电阻的情况
下测得的。
这个器件是由一源极阻抗为50Ω的脉冲发生器切
换的。
总的栅极驱动电路的阻抗因此为25。
反向二极管极限值及特性
反向二极管是垂直结构的功率MOSFET固有的。
在一些
电路中这种二极管有重要功能。
因此这种二极管的特
性需要详细说明。
这种二极管里允许通过的正向电流
被叙述成“连续反向漏极电流”和“脉冲反向漏极
电流”。
如图12,顺向压降也是特性之一。
这种二极
管的切换能力根据反向恢复参数trr和Qrr给出。
IF/A
30
20
VGS/V
12
10
8
VDS/V=2010
80
Tj/C=15025
6
012
4VSDS/V
图.12典型反向二极管电流
2IF=f(VSDS);状态:
VGS=V;参数Tj
0
02468101214161820
QG/nC
图.11典型的开启栅极充电特性
VGS=f(QG);状态:
ID=13A;参数VDS
动态特性也包括典型封装自感.当电路中的切换速度
很快时,即dI/dt值很大时,自感变得非常重要。
例
如,在60ns中变化30A给出的dI/dt为0.5A/ns.源
极引线的典型自感为7.5nH,由V=-L*dI/dt得出从内
部源极(内部连接源极的导线与芯片结合的部分)到
外部引脚的电压为3.75V.正常标准器件被栅源电压
为10V所驱动时,实际半导体上栅源电压在开启状态
下只有6.25V,因此切换速度最终被封装自感所限
制。
因为二极管作为双极器件,它受到电荷储存的影响。
因为二极管要断开电荷必须清除。
反向恢复电荷由
Qrr给出,反向恢复时间由trr,给出,注意trr完全由
电路中-dIf/dt决定,它在数据说明书中的值为100A/s。
雪______崩极限值
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- 如何 读懂 MOS 说明书