1、 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用Philips 半導(dǎo)體理解數(shù)據(jù)說明書：功率MOS 所有功率MOS制造廠商都會提供每種型號產(chǎn)品的詳細說明書。 說明書用來說明各種產(chǎn)品的性能。這對于在不同廠商之間選擇相同規(guī)格的器件很有用。在一些情況下，不同廠商所提供的參數(shù)所依據(jù)的條件可能有微妙的區(qū)別，尤其在一些非重要參數(shù)例如切換時間。另外， 數(shù)據(jù)說明書所包含的信息不一定和應(yīng)用相關(guān)聯(lián)。因此在使用說明書和選擇相同規(guī)格的器件時需要特別當(dāng)心以及要對數(shù)據(jù)的解釋有確切的了解。本文以BUK553-100A 為例, 這是一種100 V邏輯電平 MOS管。 漏極電流值 (ID) 和總耗散功率都在這部分給出 。這些數(shù)據(jù)必須認真對待因為在實際應(yīng)用中

2、數(shù)據(jù)說明書的給定的條件很難達到（見極限值部分）。在大多數(shù)應(yīng)用 中，可用的dc電流要比快速參考說明中提供的值要低。限于所用的散熱裝置，大多數(shù)工程師所能接受的典型功率消耗要小于20W(對于單獨器件)。結(jié)溫 (TJ) 通常給出的是150 C或者175 C。器件內(nèi)部溫度不建議超過這個值。 極限值飛利浦的功率MOS數(shù)據(jù)說明書所包含的信息這個表格給出六個參數(shù)的絕對最大值。器件可以在此值運行但是不能超出這個值，一旦超出將會對器件發(fā)生損壞。 數(shù)據(jù)說明書由以下八個部分組成： *快速參考數(shù)據(jù) *極限值 *熱阻 *靜態(tài)特性 *動態(tài)特性 *反向二極管極限值及特性 *雪崩極限值 *圖形數(shù)據(jù) 漏源電壓和漏柵電壓有同樣的值

3、。 給出的數(shù)據(jù)為可以加 在各相應(yīng)端所使用的最大電壓。柵源電壓, VGS,給出在柵極和源極之間允許加的最大電壓。一旦超過這個電壓值，即使在極短的時間內(nèi)也會對柵極氧化層產(chǎn)生永久性損害。給出的兩個直流漏極電流值ID,一個是在背板溫度為25 C 時，另一個是在背板溫度為100 C 時。再且這些電流值不代表在運行過程中能夠達到。當(dāng)背板溫度在所引述的值時，這些電流值將會使得結(jié)溫達到最大值 。因此最大電流降額作為背板溫度的函數(shù)，所引用的兩個值曲線是降額曲線上的兩個點（見圖一）。 下面敘述每一部分引述的第三個電流值是脈沖峰值,IDM. 功率MOS 器件總的來說都有很強的峰流通過能力。連接管腳和芯片上的內(nèi)部接線

4、決定該極限值。IDM 所能應(yīng)用的脈沖寬度取決于熱考慮 (見計算電流的部分)?？傁墓β? Ptot, 以及最大結(jié)溫在快速參考數(shù)據(jù)中也已說明。Ptot的值在等式1中以商的形式給出(見安全運行區(qū)部分)。所引述的條件是襯底溫度保持在25 C。例 快速參考數(shù)據(jù)這些數(shù)據(jù)作為迅速選擇的參考。包括器件的關(guān)鍵參數(shù)，這樣工程師就能迅速判斷它是否為合適的器件。在所包括的五個參數(shù)中，最重要的是漏源電壓 VDS是和開啟狀態(tài)下的漏源阻抗RDS(ON)。VDS是器件在斷開狀態(tài)下漏極和源極所能承受的最大電壓。RDS(ON) 是器件在給定柵源電壓以及25 C的結(jié)溫這兩個條件下最大的開啟阻抗 ( RDS(ON)由溫度所決定，見

5、其靜態(tài)特性部分)。 這兩個參數(shù)可以說明器件最關(guān)鍵的性能。 如，BUK553-100A 的 Ptot值為75 W,消耗這個功率 使襯底溫度保持在25 C 是極大的挑戰(zhàn)。襯底溫度越高，能耗散的總耗散功率越低。 1PDF 文件使用 pdfFactory 試用版本創(chuàng)建 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用Philips 半導(dǎo)體熱阻給出兩個非絕緣封裝的熱阻值。從結(jié)點到背板的值(Rthj-mb)表明當(dāng)耗散一個給定的功率時，結(jié)溫將會比背板溫度所高出多少。以 BUK553-100A 為例,它的 Rthj-mb等于 2 K/W, 耗散的功率為10 W,結(jié)溫將會高 于背板20 C。另一個數(shù)

6、值是從結(jié)點到外界的環(huán)境，這是一個更大的數(shù)值， 它說明當(dāng)器件不安裝散熱器且在流通空氣中運行時結(jié)溫是如何升 高的。以BUK553-100A為例, Rthj-a = 60 K/W, 在流通空氣率的耗散為1W將會產(chǎn)生使結(jié)溫高于外 界空氣環(huán)境溫度60 C的情況。 絕緣封裝時，背板(硅芯片安裝在上面的金屬層)完全壓縮在塑料中。因此無法給出結(jié)點到背板的熱阻值， 取代之是結(jié)點到散熱片的Rthj-hs,它表現(xiàn)出散熱片復(fù)合的作用。當(dāng)比較絕緣封裝和非絕緣封裝型號的熱阻時必須特別小心。例：非絕緣BUK553-100A 的 Rthj-mb 為2 K/W。絕緣BUK543-100A的Rthj-hs為5 K/W。它們有同樣

7、的晶體但是所封裝不同。初比較時，非絕緣的型號似乎可以承受更大功率( 即電流 )。然而 BUK553-100A 在結(jié)點到散熱片的熱阻測量中,這還包括背板和散熱片之間的額外熱阻。一些絕緣措施用在大多數(shù)情況中,例如云母墊圈.其背板到散熱片的熱 阻為2 K/W。因此結(jié)點到散熱片的總熱阻為 Rthj-hs(非絕緣型) = Rthj-mb + Rthmb-hs =4 K/W. 可以看出實際中絕緣和非絕緣型的型號區(qū)別并不大。 很顯然如果襯底溫度等于最大允許的結(jié)溫時，沒有功率可被耗散掉。如圖2的降額曲線，此器件的結(jié)溫為175 C。 靜態(tài)特性這個部分的參數(shù)描述擊穿電壓,開啟電壓,泄漏電流, 開啟阻抗的特性。 漏

8、源擊穿電壓比漏源電壓的極限值要大。它可以用曲線和源短路時,它是漏極 電流跟蹤儀測量,當(dāng)柵為250uA時的電壓。柵極開啟電壓VGS(TO),表示的是使器件達到導(dǎo)通狀態(tài)時柵極(相對于源極)所需 要的電壓。對于邏輯電平器件來說,柵極開啟電壓通 常在1.0 和 2.0 V間;對于標準器件則是2.1到4V之間。 引述的存儲溫度通常在-40 /-55 C 和 +150 /+175 C 之間。存儲溫度和結(jié)溫是由我們質(zhì)量部門經(jīng)過廣泛的可靠性測量后所指定的。超過所給出的溫度將會使可靠性降低。 2PDF 文件使用 pdfFactory 試用版本創(chuàng)建 PD%標準的功率降額 1

9、201101009080706050403020100020406080 100 120 140 160 180Tmb / C圖.2 標準功率耗散 PD% = 100 PD/PD 25 C = f(Tmb)120 ID%標準的電流降額 1101009080706050403020100020406080 100 120 140 160 180Tmb / C圖.1 標準連續(xù)漏極電流 ID% = 100 . ID/ID25 C = f(Tmb); 狀態(tài): VGS 5V 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用 Philips半導(dǎo)體(圖.3)的表示漏極電流為 VGS 的函數(shù)說明典型的傳輸特性。(圖.4)表示柵極開啟電壓隨

10、著結(jié)溫而變化。在次開啟傳導(dǎo)時，（圖5）表示在VGS電平低于門檻時漏極電流怎樣隨著柵源電壓變化。 斷電狀態(tài)時泄漏電流是漏源和柵源在各自所能承受最大電壓情況下所規(guī)定的。注意到盡管柵源泄漏電流以十 億分之一安培為單位表示，它們的值遵循兆分之一安培 而變化。 漏源導(dǎo)通電阻具有重要意義。它是當(dāng)邏輯電平場效應(yīng)管柵源電壓5 V時的值；標準器件時柵源電壓為10 V 時的值。在10 V以上增加?xùn)旁措妷簳r，標準MOS管的導(dǎo)通電阻沒有明顯減少。減少柵極電壓然而可以增加導(dǎo)通電阻。對于邏輯電平場效應(yīng)管來說， BUK553-100A，在柵極電壓為5 V的情況下給出導(dǎo)通電阻，然而當(dāng)柵極電壓到達10 V時, 導(dǎo)通電阻將明顯減

11、少， 這是由于其輸出特性圖.6 和導(dǎo)通電阻特性圖.7決定 （BUK553-100A）。 3PDF 文件使用 pdfFactory試用版本創(chuàng)建 VGS(TO) / Vmax.2typ.min.10-60-202060100140180Tj / C圖.4 柵極開啟電壓.VGS(TO) = f(Tj); 狀態(tài): ID = 1 mA; VDS = VGSID / A10524720VGS / V =41612834200246810VDS / V圖.6 典型的輸出特性Tj = 25 C. ID = f(VGS); 參數(shù)VGS1E-01 ID / A次開啟傳導(dǎo) 1

12、E-021E-031E-041E-051E-0601.622.4VGS / V圖.5 次開啟漏極電流 ID = f(VGS); 狀態(tài): Tj = 25 C; VDS = VGS 2 %typ98% ID / A15Tj / C =25 150 10 5 0 02468VGS / V圖.3 典型的傳輸特性 ID = f(VGS); 狀態(tài): VDS = 25 V;參數(shù)Tj 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用Philips 半導(dǎo)體圖.9表示BUK553-100A中作為漏極電流函數(shù)的Gfs是怎樣變化的。 導(dǎo)通電阻是溫度敏感參數(shù)，在25 C和150 C間，它的值近似變?yōu)閮杀丁DS(ON) 柵源導(dǎo)通電

13、阻與溫度的對應(yīng)關(guān)系的圖在每份數(shù)據(jù)說明書中都包含，如圖8。因為MOSFET正常運行Tj溫度高于 25 C,當(dāng)估算 MOSFET的耗散功率時，考慮RDS(ON)時會變大是很重要的。 電容被大多數(shù)制造廠商分成輸入電容，輸出電容以及反饋電容。所引述的值是在漏源電壓為25V情況下的。僅表明了一部分性質(zhì)因為MOSFET電容值是依賴于電 壓值的，當(dāng)電壓降低時電容升高。 動態(tài)特性圖.10表明電容隨電壓的變化情況。電容數(shù)值的作用是有限的。輸入電容值只給出一個大概的驅(qū)動電路所需的充電說明?？赡軚艠O充電信息更為有用。如圖11 給出的例子。它表明為達到一個特定的柵源電壓柵極所必須充的電量。 包括跨導(dǎo),電容以及轉(zhuǎn)換時間

14、。正向跨導(dǎo) Gfs,是增益參數(shù)，它表示在器件飽和狀態(tài)下，柵極電壓的變化引起的漏極電流的變化(MOSFET的飽和特性參考輸出特性的平面部分)。 4PDF 文件使用 pdfFactory 試用版本創(chuàng)建 a標準化 RDS(ON) = f(Tj)1.21.00.20-60-202060100140180Tj / C圖.8標準漏源導(dǎo)通電阻. a = RDS(ON)/RDS(ON)25 C = f(Tj); ID = 6.5 A; VGS = 5 V10000 C / pF 1000Ciss Coss100 Cr

15、ss 1002040VDS / V圖.10典型電容, Ciss, Coss, Crss. C = f(VDS); 狀態(tài): VGS = 0 V; f = 1 MHzRDS(ON) / Ohm0.5VGS / V =0.42.533.544.550.3100.2 0.100481216202428ID / A圖.7典型的導(dǎo)通電阻, Tj = 25 C. RDS(ON) = f(ID);參數(shù)VGSgfs / S1098765432100246810 12 14 16 18 20ID / A圖.9 典型跨導(dǎo), Tj = 25 C. gfs = f(ID); 狀態(tài): VDS = 25 V 介紹功率半導(dǎo)體

16、應(yīng)用Philips 半導(dǎo)體例如把BUK553-100A充電到VGS=5 V, 漏源電壓為80 V, 所需12.4nc的電量。這樣的充電速度可以滿足柵極電路電流的需要。 反向二極管極限值及特性反向二極管是垂直結(jié)構(gòu)的功率MOSFET固有的。在一些電路中這種二極管有重要功能。因此這種二極管的特性需要詳細說明。這種二極管里允許通過的正向電流被敘述成“連續(xù)反向漏極電流” 和“ 脈沖反向漏極電流”。如圖12，順向壓降也是特性之一。這種二極管的切換能力根據(jù)反向恢復(fù)參數(shù)trr和Qrr給出。 阻抗負載切換時間也被許多制造廠商所引述, 然而必須極其小心地比較不同制造廠商所給的數(shù)據(jù)說明。功率 MOSFET 的切換速

17、度只受電路以及封裝自感限制， 電路中的實際速度是由內(nèi)部電容被驅(qū)動電路充電和放電的速度所決定的。切換時間因此很大程度上取決于所處的電路環(huán)境；一個低的柵極驅(qū)動電阻將會提供更短的切換時間反之亦然。飛利浦數(shù)據(jù)說明中所有的功率MOS的切換時間都是在柵源之間放一50W電阻的情況下測得的。這個器件是由一源極阻抗為50W的脈沖發(fā)生器切 換的。總的柵極驅(qū)動電路的阻抗因此為25。 因為二極管作為雙極器件，它受到電荷儲存的影響。因為二極管要斷開電荷必須清除。反向恢復(fù)電荷由Qrr給出，反向恢復(fù)時間由trr,給出，注意trr完全由電路中-dIf/dt 決定，它在數(shù)據(jù)說明書中的值為100 A/s。 雪崩極限值 動態(tài)特性也

18、包括典型封裝自感.當(dāng)電路中的切換速度很快時，即dI/dt值很大時，自感變得非常重要。例如，在60ns中變化30A給出的dI/dt為 0.5 A/ns. 源極引線的典型自感為7.5 nH,由V=-L*dI/dt得出從內(nèi)部源極（內(nèi)部連接源極的導(dǎo)線與芯片結(jié)合的部分）到外部引腳的電壓為3.75 V. 正常標準器件被柵源電壓為10V所驅(qū)動時，實際半導(dǎo)體上柵源電壓在開啟狀態(tài)下只有6.25 V，因此切換速度最終被封裝自感所限制。 這個參數(shù)是產(chǎn)品處理瞬時過壓能力的指示。如果電壓超過漏源極限電壓將導(dǎo)致器件處在雪崩狀態(tài)。這個強度是根據(jù)背板溫度為25 C時漏極接不鉗位電感，器件非重復(fù)關(guān)斷所能承受的能量來定義的。這個

19、能量水平在背板溫度越高時越小，如圖13。 5PDF 文件使用 pdfFactory 試用版本創(chuàng)建 VGS / V1210VDS / V =2088064200246810 12 14 16 18 20QG / nC圖.11 典型的開啟柵極充電特性 VGS = f(QG); 狀態(tài): ID = 13 A; 參數(shù) VDSIF / A302010012VSDS / V圖.12 典型反向二極管電流 IF = f(VSDS); 狀態(tài): VGS = V; 參數(shù)Tj T j /C = 15 0 2 5 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用 Philips半導(dǎo)體無重復(fù)意味著電路不應(yīng)設(shè)計成使

20、功率MOS重復(fù)處于雪崩狀態(tài)。運行該能力只允許意外的電路條件導(dǎo)致瞬時過壓發(fā)生時，器件能夠幸免損壞。 飛利浦的新一代中壓 MOSFET也具有重復(fù)雪崩能。根據(jù)背板溫度為25 C, MOSFET 漏極接無鉗位電感反復(fù)切換所能承受的能量，它表明器件能夠經(jīng)得住反復(fù)瞬間漂移到雪崩擊穿狀態(tài)，并且結(jié)溫不超過極限值。 ID / ABUK553-100100Atp =10 usB 100 u s 10 1 m s 10 m s CDC100 ms1 0.1101001VDS / V圖.14 安全運行區(qū)域 Tmb = 25 C ID & IDM = f(VDS); IDM 單個脈沖; 參數(shù)tp直流曲線以結(jié)點到背板的熱

21、阻(在絕緣封裝的情況下結(jié)點到散熱片)代入等式1。脈沖運行曲線假定為單次開關(guān)，用瞬時熱阻值代替熱阻值。每種型號的瞬時熱阻都以圖表數(shù)據(jù)表示，如圖15。為測算單次開關(guān)耗散功率的能力，需要的脈沖寬度值從曲線D = 0開始， 代入等式2。 T- T1P=j maxmbtot ( dc)Rthj - mb安全運行區(qū)域= Tj max - Tmb2Ptot ( pulse)Z每種功率MOS都給出其安全運行區(qū)域。不同于雙極型晶體管，功率MOS不會表現(xiàn)出二次擊穿機制。因此安全運行區(qū)域只簡單從導(dǎo)致結(jié)溫達到最大允許值時的耗散功率定義。圖.14 表示的是 BUK553-100的安全區(qū)域。這個區(qū)域受有限的漏源電壓和有限

22、的電流值以及不同脈沖周期的恒定功率曲線所限制。這里都是以背板溫度為25 C為前提的。恒定功率曲線表示使結(jié)溫升高Tjmax-Tmb的功 率。 Tjmax為175 C 的器件的Tjmax Tmb 等于thj -mb下面將是如何計算1ms脈沖時最大耗散功率的例子。. 例1計算在Tjmax為175 C，Tmb為25 C時最大耗散功率。這個功率等于圖14安全運行區(qū)域1ms曲線下的面積。例2是說明當(dāng)Tmb高于 25 C時，所耗散的功率是如何減少的。 150 C ；Tjmax為150 C 的器件的Tjmax Tmb等于125 C。很顯然在多數(shù)應(yīng)用中背板溫度高于25 C， 因此安全區(qū)域面積會減少。可以很簡單的

23、測算最大功率。 26PDF 文件使用 pdfFactory 試用版本創(chuàng)建 WDSS%120110100908070605040302010020406080100120140160180Tmb / C圖.13標準雪崩能降額 . WDSS% = f(Tmb); 狀態(tài): ID= 13 A 介紹功率半導(dǎo)體應(yīng)用Philips 半導(dǎo)體為了測得一個更真實的電流，有必要用所需運行時結(jié)溫代替等式4中的Tjmax 以及用實際工作值代替Tmb ， 一般來說建議不要將器件一直運行在Tjmax狀態(tài)下。為了達到長期的穩(wěn)定性，125 C是比較合適的結(jié) 點運行溫度。Tmb 在75 C 和110 C之間的值也是較為典型。 拿BUK553-100A來說，它有一個13A的電源電流級別。設(shè)Tmb為100 C,Tj為125 C時，器件電流計算如下