教你看懂MOSFET数据表

在看到MOSFET数据表时，你一定要知道你在找什么。虽然特定的参数很显眼，也一目了然（BVDS、RDS(ON)、栅极电荷），其它的一些参数会十分的含糊不清、模棱两可（IDA、SOA曲线），而其它的某些参数自始至终就毫无用处（比如说：开关时间）。本文将试着破 解FET数据表，这样的话，读者就能够很轻松地找到和辨别那些对于他们的应用来说，是最常见的数据，而不会被不同的生产商为了使他们的产品看起来更吸引人而玩儿的文字游戏所糊弄。

UIS/雪崩额定值

自从20世纪80年代中期在MOSFET 数据表中广泛使用的以来，无钳位电感开关 (UIS) 额定值就已经被证明是一个非常有用的参数。虽然不建议在实际应用中使用FET的重复雪崩，工程师们已经学会了用这个度量标准在制定新器件开发方案时避免那些有可能导致问题的脆弱器件。在温度范围内具有特别薄弱UIS能力或者发生严重降级的器件（25°C至125°C之间大于30%）应当被禁止，因为这些器件会更容易受到故障的影响。设计人员也应该对制造商在额定值上捣鬼，夸大他们的FET雪崩能力而感到厌烦。
UIS测试由图1中所示的测试电路执行。在FET关闭时，其上施加了一个电源电压，然后检查器件上是否有泄露。在FET接通时，电感器电流稳定增加。当达到所需的电流时，FET被关闭，FET上的Ldi/dt电压摆幅在MOSFET击穿电压之上，从而激活了其内在的寄生双极晶体管，并在FET上出现有效的雪崩效应。这项测试重复进行，电流逐渐增加，直到开始的泄漏测试失败，表明器件已被损坏。


图1：UIS测试电路

方程式E = 0.5LI2 计算的是FET的雪崩能量。这是测试的开始。通过改变电感器尺寸，你能够更改受测器件上施加的应力。可以预见的是，电感器越大，损坏FET所需的UIS电流越低。然而，这个较小的电流不会被方程式（用于计算雪崩能量）中电感器增加的尺寸抵消，这样的话，尽管电流减少了，这个值实际上是增加了。表1中说明了这个关系，其中列出了从测试中的TI CSD18502KCS 60V NexFET 功率MOSFET器件中搜集的数据。


表1：雪崩能量 (EAS) 和电流 (UIS) 与电感器之间的关系

在电路中使用最小电感器时 (0.1mH)，会出现应力最大、电流最高的测试。TI使用0.1mH电感器来测试所有即将投入量产的器件，并且在FET数据表内给出与之相关的能量值。然而，由于没有针对这个值的硬性行业标准，因此，为了使他们的器件看起来好像具有较高的雪崩能量能力，某些厂商将在他们的UIS测试中使用较大的电感器。因此，设计人员在处理雪崩额定值时要小心，并且一定要在比较不同供货商的FET之前询问UIS测试条件。

安全工作区 (SOA) 图

安全工作区 (SOA) 曲线是一片需要某些技巧和手段才能完全了解的地带，这是因为每个供应商都有各自生成SOA曲线的方法，并且在提供有用信息方面，这个曲线所具有的价值与阅读数据表的人对于读到的信息的理解能力直接相关。虽然FET也许在热插拔应用中能够发挥其最大价值（在这些应用中，FET特意地在其线性区域内运行），不过，我们看到越来越多的电机控制、甚至是电源用户将这个图用作总体稳健耐用性，以及FET处理大量功率能力的指示器。

如图2所示，可以用5个完全不同的限制条件来绘制整个SOA，每个限制条件规定了整个曲线的形状，TI的100V D2PAK CSD19536KTT的SOA与产品数据表内的曲线看起来一样。可以用已知的FET参数来轻松绘制出其中四条曲线—RDS(on) 限值、电流限值、最大功率限值，以及BVDSS限值。只有散热不稳定性区域出现了一个问题。很明显，这个部分的SOA曲线偏离了恒定功率线，这条线必须是电流与电压双对数坐标内斜率为-1的曲线，这个偏离表示会出现了热失控，并且斜坡越陡，说明FET越有可能在更高的击穿电压时进入这个散热失控情况。当FET供货商试图计算这个值时，往往倾向于夸大这个区域内的FET电流能力或者在这一点上有所保留，这是因为在不对这条线进行测量的情况下是根本无法知晓这条线的斜率的。


图2：CSD19536KTT的数据表SOA

为了产生数据表曲线，在一定的电压范围内，在每个脉冲持续时间内，FET被一次又一次地推到断线点，从中获得的数据如下面图3中所示。每个点代表一个被强制出现故障的CSD19536KTT器件，根据这些数据，就可以确定热失控线的斜率和高度。


图3： CSD19536KTT测得的故障点

作为我们SOA曲线可靠性的最终保证，根据我们看到的部件到部件偏差，我们在任意位置上将每一条测得的热失控线线的额定值降低30%-40%。这样的话，当你把我们FET的数据表与我们竞争对手的产品进行比较时，需要注意的一点是，他们也许不像我们一样守规矩。我们已经认识到某些供应商的真面目。我们也看到其它一些供应商发布了真实的故障点，并且将其宣称为一定能够实现的SOA。在这一方面没有行业标准，而事实是，在没有基础数据表明部件实际上在何处出现故障的情况下，单单从数据表SOA曲线上是无法知晓那个部件更加可靠。

连续电流额定值

下文我们来谈一谈MOSFET电流额定值，以及它们是如何变得不真实的。好，也许一个比较好的解释就是这些额定值不是用确定RDS(ON) 和栅极电荷等参数的方法测量出来的，而是被计算出来的，并且有很多种不同的方法可以获得这些值。

例如，大多数部件中都有FET“封装电流额定值”，这个值同与周围环境无关，并且是硅芯片与塑料封装之间内在连接线的一个函数。超过这个值不会立即对FET造成损坏，而在这个限值以上长时间使用将开始减少器件的使用寿命。高于这个限值的故障机制包括但不限于线路融合、成型复合材料的热降解、以及电迁移应力所导致的问题。

然后是我们考虑的“芯片限值”，通常通过将外壳温度保持在25 C来指定。基本上，这个条件假定了一个理想的散热片，只使用结至外壳热阻来计算器件能够处理的最大功率（在下面的方程式1和2中显示）。换句话说，假定RθCase-to-Ambient 为零，这在应用中并不是一个很实用的条件，这样的话，最好将这个电流额定值视为表示器件RDS(ON) 和热阻抗的品质因数。
   

         
下面的表2a和2b分别给出了CSD18536KCS和CSD18535KCS 60V TO-220 MOSFET数据表首页上出现的绝对最大额定值表。这两个器件的封装额定值均为200A，不过，由于CSD18536KCS具有更低的RDS(ON) 和热阻抗，它具有349A的更高芯片限值，这表明，在处理同样数量的连续电流时，它的运行温度应该比CSD18535KCS的工作温度低。不过，我们还是不建议将这两款器件长时间运行在电流超过200A的条件下。从FET的角度说，这就意味着任一超过100ms的电流脉冲；超过这个值的电流脉冲基本上就可以被视为DC脉冲。


表2a：CSD18535KCS绝对最大额定值表


表2b：CSD18536KCS绝对最大额定值表

某些QFN数据表还包括一个第3连续电流，计算方法与芯片限值的计算方法完全一样，不过，如表格下方的脚注所示，它是器件测得的RθJA 的函数。使用RθJA （对于一个标准的SON5x6封装来说，典型值为40 C/W）来计算最大功率的方法假定QFN在应用中只处理3W左右的功率。因此，对于未暴露于任何散热片或使用其它冷却机制的QFN器件来说，这个计算方法给出了更加实际的DC电流限值。

开关参数

下文我们来看一看MOSFET数据表中出现的某些其它混合开关参数，并且检查它们对于总体器件性能的相关性（或者与器件性能没什么关系）。

另一方面，诸如FET固有体二极管的输出电荷 (QOSS) 和反向恢复电荷(Qrr) 等开关参数是造成很多高频电源应用中大部分FET开关损耗的关键因素。不好意思，我说的这些听起来有点儿前言不搭后语，不过设计人员在根据这些参数比较不同的FET时要小心，这是因为测试条件决定一切，事情往往是如此！

图4显示的是，在TI CSD18531Q5A 60V MOSFET的两个不同di/dt速率上测得的输出电荷和反向恢复电荷，这代表了一个事物的两个方面。在左侧，Qrr在360A/μs时测得的值为85nC，在右边，2000A/μs时测得的值为146nC。虽然没有测量部件的di/dt行业标准，但我们已经发现，为了得到极地的Qrr，我们的竞争对手将测量时的di/dt速率调低至100 A/us。


图4：360A/μs（左侧）和2000A/μs（右侧）时，在CSD18531Q5A上测得的Qrr和QOSS值。

Qrr 甚至可以对测试执行性的二极管正向电流 (If) 具有更强的依赖关系。而进一步使事情复杂化的原因在于，某些厂商未将QOSS 作为一个单独参数包含在内，而是只将这个参数吸收到Qrr 的技术规格当中。除了数据表中列出的测试条件，事实上，其它诸如电路板寄生电感和主观测量方法等考虑也使得比较单独厂商数据表中的这些参数变得不太可能。这并不是说这些参数对于设计不重要，而是为了说明，要获得可靠的比较数据，唯一有效的解决方案就是使用通常的方法和电路板对这些数据进行独立采集。

我在本文中将要提到的最后一个参数就是开关时间。这4个参数通常由下方图5中的波形定义，并且会出现在每个厂商的数据表中。它们是如此地依赖于电路板和测试条件，以至于FET行业的一位元老级人物（也是个人导师）经常把这些参数引用为“FET数据表中最没用的参数”。本来是为了指示出开关速度，而实际上，由于这些参数是FET特性值，所以它们至多只反映出驱动器强度和漏电流。


图5：定义MOSFET数据表开关时间的波形。

希望这篇文章对你有所启发，在阅读之后能够更清楚地理解功率MOSFET数据表中出现的参数值和含糊不清的地方。