功率mos管的關(guān)鍵參數(shù)

假設(shè)你正在設(shè)計(jì)電機(jī)控制電路、繼電器驅(qū)動電路、反極性保護(hù)電路或者運(yùn)算放大的輸出緩沖器，你可能會想到功率 mos 管，那到底怎么選擇到一個(gè)合適的功率 mos 管？選擇一個(gè)合適的功率 mos 管需要注意哪些參數(shù)？

眾所周知，大家在選型的時(shí)候，是一定要去 datasheet 上去看各種參數(shù)的，這篇文章就給大家分析一下功率 mos 管的關(guān)鍵參數(shù)。

功率 mos 管是什么？

因?yàn)橛锌吹饺藛柟β?mos 管是什么意思？這里就大致地講一下，雖然是一些比較基礎(chǔ)的知識，但是基礎(chǔ)打牢了，后面就會容易許多了。

功率 mos 管是一種專門用于處理高功率的 mos 管，在低電壓電平的情況下，功率 mos管表現(xiàn)出高開關(guān)速度，并且與其他普通 mos 管相比可以更好地工作。下圖為功率 mos 管器件圖。

率 mos 管器件圖。

功率 mos 管的工作原理

功率 mos 管的工作原理與其他通用的 mos 管相類似，最廣泛使用的 mos 管的本質(zhì)是 n溝道增強(qiáng)型或者 P 溝道增強(qiáng)模式或n溝道耗盡模式。

下圖顯示了由n襯底制成的 n 型 mos 管。

率 mos 管結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)柵極電壓為正時(shí)，溝道在 P 型區(qū)域中形成。最重要的是，源極端子位于漏極端子上方，形成垂直結(jié)構(gòu)。

因此在功率 mos 管中，電源在源極和漏極端子之間的柵極區(qū)域下方垂直流過多個(gè)并聯(lián)的n+源極，因此功率mos管在導(dǎo)通狀態(tài) RDS(ON) 提供的電阻遠(yuǎn)低于普通 mos 管的電阻，這使得它們能夠處理高電流。

隨著電流增加越 6%（如下圖左側(cè)圖顯示），功率 mos 管的電阻會增加一倍，另一方面，RDS(ON) 受結(jié)溫 T 的影響很大（如下圖右側(cè)圖所示）并且被認(rèn)為是正向的。

RDS(ON) 受結(jié)溫 T影響圖

盡管普通 mos 管和功率 mos 管的結(jié)構(gòu)看起來不同，但其實(shí)工作的基本原理并沒有什么太大的區(qū)別，也就是說，在這兩個(gè)器件中，導(dǎo)電溝的形成是相同的，只不過是在柵極端施加了合適的偏壓，從而導(dǎo)致了反型層。

普通 mos 管和功率 mos 管表現(xiàn)出的傳輸特性和輸出特性的性質(zhì)幾乎彼此相同，如下圖所示。

功率 mos 管傳輸特性和輸出特性圖

不過需要注意的是，在基于垂直結(jié)構(gòu)的功率 mos 管的情況下，外延層的摻雜和厚度決定了額定電壓，而溝道寬度決定了其額定電流。

這就是功率 mos 管能夠承受高阻斷電壓和高電流的原因，使其適用于低功率開關(guān)應(yīng)用。

然而，即使是基于橫向結(jié)構(gòu)的 mos 管也存在，與基于垂直結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相比表現(xiàn)更好，尤其是在飽和工作區(qū)域，使其能夠用于高端音頻放大器。

功率 mos 管參數(shù)

絕對最大額定值

絕對最大額定值被定義為不應(yīng)超過的允許限制，即使是一瞬間也不行。如果超過這些值中的一個(gè)或多個(gè)，功率 mos 管將損壞。因此，需要設(shè)計(jì)使用功率mos管的電子設(shè)備，以使超過該值的應(yīng)力即使在瞬間也不會施加到功率 mos 管上。

絕對最大額定值不保證可靠性。即使在絕對最大額定值內(nèi)，如果超過，功率 mos 管的耐用性也會降低，因此，功率mos管可能無法承受長期使用。

功率 mos 管數(shù)據(jù)表中列出的絕對最大額定值的典型特性如下所示，列出的絕對最大額定值參數(shù)取決于功率 mos 管類型。

絕對最大額定值的典型特性圖

電氣特性

電氣特性通過指定溫度、電壓和電流等條件來顯示產(chǎn)品的性能。以下是數(shù)據(jù)表中描述的電氣特性的典型參數(shù)，列出的電氣特性參數(shù)取決于功率 mos 管的類型。

電氣特性的典型參數(shù)圖

漏源擊穿電壓，V(BR)DSS

V (BR)DSS 是漏極和源極之間的擊穿電壓。電氣特性以最小值規(guī)定，并為電路操作的安全性對實(shí)際值施加了余量。

然而，V (BR)DSS 和漏源導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 之間存在折衷關(guān)系，因此，增加 V(BR)DSS 的余量也會增加 RDS(ON)，因此，V (BR)DSS 的余量一般設(shè)計(jì)得越小越好。

V (BR)DSS 具有正溫度系數(shù)，溫度越高，V(BR)DSS 越高。該電路的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到 V(BR)DSS 在低溫下變低。

漏源擊穿電壓，V(BR)DSS溫度特性圖

柵極閾值電壓，VGS(TH)

VGS(TH) 是功率 mos 管 開啟且漏極電流 ID 開始流動時(shí)柵極和源極之間的電壓。

VGS(TH) 具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度越高，VGS(TH) 越低。電路運(yùn)行期間溫度變高，功率 mos 管 在低電壓下導(dǎo)通。

因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮因溫度特性引起的 VGS(TH) 變化，以避免因噪聲引起的誤動作。

柵極閾值電壓，VGS(TH)溫度特性圖

VGS 是柵極和源極之間的施加電壓。為了控制漏極電流 ID 和 VGS，必須要仔細(xì)看 datasheet 中描述的 ID – VGS 特性并設(shè)置 VGS 以使所需的 ID 能夠流動。

ID – VGS 特性圖

漏源導(dǎo)通電阻，RDS(ON)

RDS(ON) 是當(dāng)漏極電流 ID 流動時(shí)漏極和源極之間的電阻。RDS(ON )越大，功率損耗越大，因此，具有小 RDS(ON) 的功率 mos 管是理想的。

RDS(ON) 具有正溫度系數(shù)，溫度越高，RDS(ON) 越高。在高溫下使用時(shí)，請考慮因溫度特性引起的 RDS(ON) 的變化。

當(dāng)功率 mos 管并聯(lián)時(shí)，如果每個(gè) RDS(ON) 有變化，則大量電流流過 RDS(ON) 小的功率 mos 管。然而，流動電流減少，因?yàn)?RDS(ON) 因溫度升高而增加。

流過每個(gè)功率 mos管 的電流是平衡的，而流過的電流不會集中在一個(gè)功率mos管上，這稱為功率mos管的自穩(wěn)定功能。

漏源導(dǎo)通電阻，RDS(ON)溫度特性圖

RDS(ON) 電阻

下圖顯示了平面功率 mos管（N 溝道）的 RDS(ON) 電阻。

平面功率 mos管（N 溝道）的 RDS(ON) 電阻圖

RDS(ON) 電阻通過以下公式計(jì)算。

其中：

RSUB 為襯底電阻，

RDRIFT 為漂移電阻，

RJ-FET 為 J-FET 電阻，

RCH 為溝道電阻，

RN+ 為 N+ 層電阻。擊穿電壓與 RDS(ON)

之間存在折衷關(guān)系，因此，增加擊穿電壓也會增加 RDS(ON) ，為了提高功率 mos 管的擊穿電壓，需要加厚上圖所示的N-層。

因此，高擊穿電壓功率 mos 管的 RDS(ON) 取決于漂移電阻 RDRIFT。相反，低擊穿電壓功率 mos 管的 RDS(ON) 更多地取決于溝道電阻 RCH ，而不是 RDRIFT 。

電容特性 (Ciss , Coss , Crss )

如下圖所示，由于功率 mos 管的結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生寄生電容（CGS、CGD、CDS）。這些寄生電容會影響開關(guān)特性。

電容特性 (Ciss , Coss , Crss )圖

輸入電容，Ciss

輸入電容 Ciss 影響延遲時(shí)間。當(dāng) Ciss 大時(shí)，延遲時(shí)間長，因?yàn)樵诠β?mos 管導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)必須對大量電荷進(jìn)行充電/放電。Ciss 越大，功率損耗越大。因此，Ciss 小的功率 mos 管是理想的。

C iss通過下式計(jì)算。

輸出電容，Coss

輸出電容 Coss影響關(guān)斷特性。

當(dāng) Coss 較大時(shí)，漏源電壓 VDS 的電壓變化率 dv/dt 在功率 mos 管關(guān)斷時(shí)降低，從而降低了噪聲的影響，但增加了導(dǎo)通關(guān)閉下降時(shí)間t f。

Coss通過下式計(jì)算。

反向傳輸電容，Crss

反向傳輸電容，Crss 也稱為鏡像電容。

Crss 影響高頻特性。Crss 越大，越出現(xiàn)以下特征:

導(dǎo)通時(shí)漏源電壓 VDS 的下降時(shí)間較長（導(dǎo)通上升時(shí)間 t r較長）

關(guān)斷時(shí)漏源電壓 VDS 的上升時(shí)間較長（關(guān)斷下降時(shí)間 t f較長）

功率損耗大

反向傳輸電容 Crss 通過以下公式計(jì)算。

充電特性 (QG , QGS , QGD )

總柵極電荷 QG、柵極到源極電荷 QGS 和柵極到漏極電荷 QGD 是驅(qū)動功率 mos管所需的電荷。

充電特性圖

這些影響開關(guān)特性。該值越小，功率損耗越小，實(shí)現(xiàn)快速切換。

開關(guān)特性 (td(ON) , tr , td(OFF) , tf )

下圖顯示了切換時(shí)間的定義。

充電特性圖

開啟延遲時(shí)間，td(ON)：從 VGS 設(shè)定值的 10%到 VDS 設(shè)定值的 90% 的時(shí)間

開啟上升時(shí)間，tr：從 VDS 設(shè)定值的 90% 到 10% 的時(shí)間

開啟時(shí)間，tON：t (ON) 和 tr 的總時(shí)間。

關(guān)斷時(shí)間，td(OFF)：從 VGS 設(shè)定值的 90%到 VDS 設(shè)定值的 10% 的時(shí)間

關(guān)斷下降時(shí)間，tf：從 VDS 設(shè)定值的 10% 到 90% 的時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間，tOFF：td(OFF )和 tf 的總時(shí)間。

體二極管

下圖中可以看到體二極管，源極金屬化連接到 N+ 和 P 注入。

盡管 功率 mos 管的基本原理只要求源極連接到 N+ 區(qū)，因此，這將導(dǎo)致 N 摻雜源極和漏極之間的浮動 P 區(qū)。

功率 mos 管相當(dāng)于一個(gè)基極不相連的NPN晶體管。在某些條件下，例如高漏極電流，在相同伏特的導(dǎo)通狀態(tài)漏極到源極電壓的情況下，應(yīng)該觸發(fā) NPN 的寄生晶體管并使功率 mos 管不可控。

功率 mos 管體二極管圖

由于功率 mos 管的結(jié)構(gòu)，在源極和漏極之間會產(chǎn)生一個(gè)體二極管。下圖顯示了體二極管的 IS – VSD特性。

VSD具有負(fù)溫度特性，因此溫度越高，V D越低。

IS – VSD特性圖

下圖顯示了體二極管的反向恢復(fù)特性。峰值恢復(fù)電流定義為 IRM。反向恢復(fù)時(shí)間t rr和反向恢復(fù)電荷Qrr越小，功率損耗越小。

體二極管反向恢復(fù)特性圖

熱特性

以下是數(shù)據(jù)表中描述的熱特性的典型參數(shù)。列出的熱特性參數(shù)取決于功率 mos 管的類型。

以上就是關(guān)于功率mos管參數(shù)的一些分析

審核編輯 ：李倩