深入理解MOSFET规格书/datasheet

对于电源方面的工程师、技术人员而言，相信大家对MOSFET都不会陌生。工程师们要选用某个型号的MOSFET时，首先要看的就是规格书/datasheet，拿到MOSFET的规格书/datasheet时，我们要怎么去理解那十几页到几十页的内容呢？

注：1. 后续内容中规格书/datasheet统一称为datasheet；

      2. 本文中有关MOSFET datasheet的数据截图来自英飞凌IPP60R190C6 datasheet。

1.关于VDS

Datasheet上电气参数第一个就是V（BR）DSS，即DS击穿电压，也就是我们关心的MOSFET的耐压。

此处V（BR）DSS的最小值是600V，是不是表示设计中只要MOSFET上电压不超过600V MOSFET就能工作在安全状态？

相信很多人的答案是“是”，曾经我也是这么认为的，但这个正确答案是“不是”。

这个参数是有条件的，这个最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃时，MOSFET上电压不超过600V才算是工作在安全状态。

MOSFET V（BR）DSS是正温度系数的，其实datasheet上有一张V（BR）DSS与Tj的关系图（Table 17），如下：

要是电源用在寒冷的地方，环境温度低到-40℃甚至更低的话，MOSFET V（BR）DSS值<560V，这时候600V就已经超过MOSFET耐压了。

所以在MOSFET使用中，我们都会保留一定的VDS的电压裕量，其中一点就是为了考虑到低温时MOSFET V（BR）DSS值变小了，另外一点是为了应对各种恶例条件下开关机的VDS电压尖峰。

2.ID和Rds（on）

相信大家都知道MOSFET最初都是按xA，xV的命名方式（比如20N60），慢慢的都转变成Rds（on）和电压的命名方式（比如IPx60R190C6，190就是指Rds（on））。

其实从电流到Rds(on)这种命名方式的转变就表明ID和Rds（on）是有着直接联系的，那么它们之间有什么关系呢？

（1）封装能够承受的损耗和封装的散热性能（热阻）之间的关系；

（2）MOSFET通过电流ID产生的损耗；

（1），（2）联立，计算得到ID和Rds（on）的关系。

从MOSFET Rds（on）与Tj的图表中可以看到：Tj增加Rds（on）增大，即Rds（on）是正温度系数，MOSFET的这一特性使得MOSFET易于并联使用。

3.关于Vgs

相信这个值大家都熟悉，但是Vgs（th）是负温度系数有多少人知道，你知道吗？下面两图分别来自BSC010NE2LS和IPP075N15N3 G datasheet。

相信会有很多人没有注意到Vgs（th）的这一特性，这也是正常的，因为高压MOSFET的datasheet中压根就没有这个图，这一点可能是因为高压MOSFET的Vgs（th）值一般都是2.5V以上，高温时也就到2V左右。但对于低压MOSFET就有点不一样了，很多低压MOSFET的Vgs（th）在常温时就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs（th）是1.2V~2V，高温时最低都要接近0.8V了，这样只要在Gate有一个很小的尖峰就可能误触发MOSFET开启从而引起整个电源系统异常。

所以，低压MOSFET使用时一定要留意Vgs（th）的这个负温度系数的特性。

4.关于Ciss，Coss，Qg

MOSFET带寄生电容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs，Coss=Cgd+Cds，Crss=Cgd

Ciss，Coss，Crss的容值都是随着VDS电压改变而改变的，如下图：

Qg

从此图中能够看出：

（1）Qg并不等于Qgs+Qgd；

（2）Vgs高，Qg大，而Qg大，驱动损耗大。

在半桥LLC拓扑中，在死区时间时，我们需要将上下桥臂中的一个MOSFET Coss上的电容从0充电到Vin，同时将另外一个MOSFET Coss上的电容从Vin放电到0，此时等效电容Ceq等于上下桥臂MOSFET的Ciss之和，但由于上下桥臂MOSFET上VDS电压的差别，Ceq的电容将会如下图：

在LLC拓扑中，减小死区时间可以提高效率，但过小的死区时间会导致无法实现ZVS。因此选择在VDS在低压时Coss较小的MOSFET可以让LLC更加容易实现ZVS，死区时间也可以适当减小，从而提升效率。

5.体二极管的几个参数

VSD，二极管正向压降 ==>这个参数不是关注的重点；

trr，二极管反向回复时间 ==>越小越好；

Qrr，反向恢复电荷 ==>Qrr大小关系到MOSFET的开关损耗，越小越好，trr越小此值也会小。

6.关于SOA

SOA曲线可以分为4个部分：

（1）Rds_on的限制，如下图红色线附近部分

此图中：

当VDS=1V时，Y轴对应的ID为2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃时，Rds（on）约为0.5R。

当VDS=10V时，Y轴对应的ID为20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃时，Rds（on）约为0.5R。

所以，此部分曲线中，SOA表现为Tj_max时RDS（on）的限制。

（2）最大脉冲电流限制，如下图红色线附近部分

此部分为MOSFET的最大脉冲电流限制，此最大电流对应ID_pulse。

（3）VBR（DSS）击穿电压限制，如下图红色线附近部分

此部分为MOSFET VBR（DSS）的限制，最大电压不能超过VBR（DSS）==>所以在雪崩时，SOA图是没有参考意义的。

（4） 器件所能够承受的最大的损耗限制，如下图红色线附近部分。

上述曲线是怎么来的？这里以图中红线附近的那条线（10us）来分析。

上图中，1处电压、电流分别为：88V，59A，2处电压、电流分别为：600V，8.5A。

MOSFET要工作在SOA，即要让MOSFET的结温不超过Tj_max（150℃），Tj_max=Tc+PD*ZthJC，ZthJC为瞬态热阻。

SOA图中，D=0，即为single pulse，红线附近的那条线上时间是10us即10^-5s，从瞬态热阻曲线上可以得到ZthJC=2.4*10^-2。

从以上得到的参数可以计算出：

1处的Tj约为：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃；

2处的Tj约为：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃。

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃时的SOA，但实际应用中不会刚好就是在Tc=25或者80℃，这时候就得想办法把25℃或者80℃时的SOA转换成实际Tc时的曲线。怎样转换呢？

把25℃时的SOA转换成100℃时的曲线：

（1）在25℃的SOA上任意取一点，读出VDS，ID，时间等信息。

如上图，1处电压、电流分别为：88V，59A，tp=10us。

计算出对应的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192（a）

PD=（Tj_max-Tc）/ZthJC-->此图对应为Tc=25℃（b）

（a），（b）联立，可以求得ZthJC=（Tj_max-25）/PD=0.024。

（2）对于同样的tp的SOA线上，瞬态热阻ZthJC保持不变，Tc=100℃，ZthJC=0.024。

（3）上图中1点电压为88V，Tc=100℃时，PD=（Tj_max-100）/ZthJC=2083。

从而可以算出此时最大电流为I=PD/VDS=2083/88=23.67A。

（4）同样的方法可以算出电压为600V，Tc=100℃时的最大电流。

（5）把电压电流的坐标在图上标出来，可以得到10us的SOA线，同样的方法可以得到其他tp对应的SOA（当然这里得到的SOA还需要结合Tc=100℃时的其他限制条件）。

这里的重点就是ZthJC，瞬态热阻在同样tp和D的条件下是一样的，再结合功耗，得到不同电压条件下的电流。

ZthJC/瞬态热阻计算：

（1）当占空比D不在ZthJC曲线中时，怎么计算？

（2）当tp<10us是，怎么计算？

[1]当占空比D不在ZthJC曲线中时：其中，SthJC(t)是single pulse对应的瞬态热阻。

[2]当tp<10us时：

7.关于雪崩

EAS：单次雪崩能量，EAR：重复雪崩能量，IAR：重复雪崩电流。

雪崩时VDS，ID典型波形：

上图展开后，如下：

MOSFET雪崩时，波形上一个显著的特点是VDS电压被钳位，即上图中VDS有一个明显的平台。

MOSFET雪崩的产生：

在MOSFET的结构中，实际上是存在一个寄生三极管的，如上图。在MOSFET的设计中也会采取各种措施去让寄生三极管不起作用，如减小P+Body中的横向电阻RB。

正常情况下，流过RB的电流很小，寄生三极管的VBE约等于0，三极管是处在关闭状态。

雪崩发生时，如果流过RB的雪崩电流达到一定的大小，VBE大于三极管VBE的开启电压，寄生三极管开通，这样将会引起MOSFET无法正常关断，从而损坏MOSFET。

因此，MOSFET的雪崩能力主要体现在以下两个方面：

（1）最大雪崩电流==>IAR；

（2）MOSFET的最大结温Tj_max==>EAS、EAR 雪崩能量引起发热导致的温升。

单次雪崩能量计算：

上图是典型的单次雪崩VDS,ID波形，对应的单次雪崩能量为：

其中，VBR=1.3BVDSS, L为提供雪崩能量的电感

雪崩能量的典型测试电路如下：

计算出来EAS后，对比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范围内，则可认为是安全的(当然前提是雪崩电流

同时，还得注意，EAS随结温的增加是减小的。

重复雪崩的计算：

上图为典型的重复雪崩波形，对应的重复雪崩能量为：

其中，VBR=1.3BVDSS。
计算出来EAR后，对比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范围内，则可认为是安全的（此处默认重复雪崩电流同时也得考虑结温的影响）。

8.针对不同的拓扑，对MOSFET的参数有什么不同的要求呢？怎么选择适合的MOSFET？

（1）反激

反激由于变压器漏感的存在，MOSFET会存在一定的尖峰，因此反激选择MOSFET时，我们要注意耐压值。通常对于全电压的输入，MOSFET耐压（BVDSS）得选600V以上，一般会选择650V。

若是QR反激，为了提高效率，我们会让MOSFET开通时的谷底电压尽量低，这时需要取稍大一些的反射电压，这样MOSFET的耐压值得选更高，通常会选择800V MOSFET。

（2）PFC、双管正激等硬开关

a）对于PFC、双管正激等常见硬开关拓扑，MOSFET没有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐压可以选500V，600V。

b）硬开关拓扑MOSFET存在较大的开关损耗，为了降低开关损耗，我们可以选择开关更快的MOSFET。而Qg的大小直接影响到MOSFET的开关速度，选择较小Qg的MOSFET有利于减小硬开关拓扑的开关损耗。

（3）LLC谐振、移相全桥等软开关拓扑

LLC、移相全桥等软开关拓扑的软开关是通过谐振，在MOSFET开通前让MOSFET的体二极管提前开通实现的。由于二极管的提前导通，在MOSFET开通时二极管的电流存在一个反向恢复，若反向恢复的时间过长，会导致上下管出现直通，损坏MOSFET。因此在这一类拓扑中，我们需要选择trr，Qrr小，也就是选择带有快恢复特性的体二极管的MOSFET。

（4）防反接，Oring MOSFET

这类用法的作用是将MOSFET作为开关，正常工作时管子一直导通，工作中不会出现较高的频率开关，因此管子基本上无开关损耗，损耗主要是导通损耗。选择这类MOS时，我们应该主要考虑Rds（on），而不去关心其他参数。