MOSFET特性解析及选型

1QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的額定值與特性的額定值與特性2004年2月TechnicalApplicationCenterPowerSupplyApplicationDiv.FujiElectricDeviceTechnologyCo.,Ltd.2QualityisourmessageQualityisourmessage提高對提高對MOSFETMOSFET的理解程度的理解程度為了能夠對POWER-MOSFET運用自如,重要的是對其特性進行了解。通常在選擇MOSFET時需要就絕對最大額定值、電氣特性等進行確認。通過對特性的理解，可以選定最適合的MOSFET。3QualityisourmessageQualityisourmessage„„MOSFETMOSFET的額定的額定值值„„MOSFETMOSFET的各種特性與其含意的各種特性與其含意„„MOSFETMOSFET在使用上的注意事項在使用上的注意事項内　　容内　　容4QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的絕對最大額定值的絕對最大額定值額定電壓VDS額定漏極電流由最大容許損耗與最大通態電阻(Tch=150℃)來決定。雪崩電流　保證與ID同樣的額定值。對暫態電壓的限制　元件的容許損失　　　可從產品的熱阻上求得。脈衝額定值　用通用通常ID的４倍來規定2SK3525-01MR的例子35門極-源極之間電壓門極下面氧化膜的擊穿屈服點雪崩能量E=1/2xLxIAR2xK　K:係數5QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性11：：容許損耗容許損耗當Tc=25℃時,通過附加最大容許損耗PD,則變為Tc=150℃(max)。在Tc=150℃時,容許損耗PD為零。用PD=(Tcmax-Tc)/Rth(ch-c)　來表示6QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性　　2:2:額定電流額定電流額定漏極電流:ID某門偏壓時的通態電阻與其時所流過的漏極電流ID的損耗不超過容許損耗值的漏極電流。容許損耗:計算出PD(在2SK3525-01MR的情況下）PD=(Tcmax-Tc)/Rth(ch-c)Tcmax=150℃,　Tc=25℃,　Rth(ch-c)=3.57℃/W∴　ID=√(PD/RDS(ON)Tch=150℃）=6A(與2SK3524-01統一）PD適用於2SK3524的值,RDS(ON)使用Tch=150℃時的值7QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的電氣特性的電氣特性表示容許反向電壓min只要有額定值以上即可主體二極管的耐電壓。MOSFET為ＯＮ的電壓　　因其為負的溫度依存關係,在高溫下會變低。DS之間漏電流ＧＳ之間漏電流通態電阻　　　　具有正的溫度依存關係。在高溫下變大。注意！　　　　　　　　　　　　如果無特殊指定,即為Tc=25℃時的特性。8QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的動態特性的動態特性選通電極充電特性　　　　影響驅動極損耗、開關損耗的SupeｒFAPG的特徵。表示MOSFET的開關特性tf影響關斷損耗,SuperFAPG則由于tf較快,開關損耗較小。MOSFET的特徵之電容特性　　　Ciss的充放電特性成為驅動極損耗（=低Qgd）。Crss對高頻動作有大的影響（=需要低Cgd)。針對MOSFET輸入電壓(VGS)之變化的漏極電流ID的變化之比9QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET等效電路等效電路Ciss=CGS+CGDCoss=CDS+CmiCrss=Cmi(=CGD)MOSFET需要考慮容量特性！Cmi:密勒電容DCGDCDSGCGSS電容Ｃ與電荷Q有著　Q=CV=Δi/Δt的關係！10QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的結構的結構在漏極-源極之間附加上電壓,CGD就會發生變化MOSFET的截面結構n+n+n+n+p+n-n++ソース　Sゲート　Gドレイン　DCGSCGDCDSp+n+n+n+n+p+n-n++ソース　Sゲート　Gドレイン　DCGSCGDCDSp+空乏層VDSのいる場合、空乏層が広がりCGDが変化する在有VDS時,過渡層擴大,CGD發生變化11QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的主體二極管的特性的主體二極管的特性雪崩屈服點的保證值為流往二極管的逆電流值主體二極管的VF,trr,Qrr　　在通常情況下與電源二極管一樣,ｔｒｒ較長。500V:0.4us左右　　500V:0.7us左右做成高速型的就稱作FRED型。500V:0.2us左右（現在正在開發中的FREDFET)　　　　一旦使其變為高速,通態電阻就會上昇。12QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的熱電阻特性的熱電阻特性通道－管殼之間的熱電阻因芯片尺寸的不同而不同。　　　芯片的尺寸大,則熱電阻就小。通道-周圍之間的熱電阻因封裝的不同而不同。TO-220係列:58℃/WTO-3P係列:35℃/W　　　　　　　　　　容許損耗可用該熱電阻與Tchmax計算出來。58.03.57在從衝擊脈衝的波形上求Tch時,可從該熱電阻特性上求得瞬態熱電阻來進行計算。13QualityisourmessageQualityisourmessage„„擊穿的原因擊穿的原因　　　　1)1)因不飽和動作、負荷短路而導致的過載、因不飽和動作、負荷短路而導致的過載、過電流引起的發熱。過電流引起的發熱。　　　　2)2)因散熱設計得不妥而引起熱失控。因散熱設計得不妥而引起熱失控。„„擊穿的方式擊穿的方式　　　　短路方式短路方式„„對策對策　　　　1)1)確認是否在確認是否在SOASOA內內以及降低額定以及降低額定值。值。　　　　2)2)變更為恰當的散熱特性變更為恰當的散熱特性,,降下降下溫溫度。度。MOSFETMOSFET各種特性各種特性33：：安全動作領域安全動作領域SOASOA14QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET各種特性各種特性33：：安全動作領域安全動作領域SOASOA規格書中所記載的本特性之條件為Tc=25℃,　D=0.01(=ton/T)由于該條件與實際的動作相差甚遠,難于適用所有的動作條件。因此,必須重新寫出符合實際動作的特性。重寫的順序　　①VDSS相同:最大額定值　　②PD(max)=(Tch-Tc)/Zth　　ID=PD(max)/VDS　　③最大ID=max@)((max)TchonRDSPDVDSID①②③15QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性　　44：：輸出特性輸出特性VDS小的領域為電阻領域MOSFET充分接通的狀態雙極TrMOSFETVCE(sat)通態電阻IDVDS,VCEIDVDSONRDSΔΔ=)(ΔIDΔVDS通過降低通態電阻來減少雙極Tr的飽和損耗。16QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性　　55--11：：通態電阻通態電阻n+n+n+n+p+n-n++ソース　Sゲート　Gドレイン　DCGSp+RepiRchRchRsubRDS(ON)以Rch與Repi為主。特別是高耐電壓500V以上的，則由Repi來決定。若將VGS定為額定值(10V左右）以上,通態電阻則可充分變小。RDS(ON)/芯片面積∞BVDS2．4－2．717QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性　　55--2:2:溫度依存關係溫度依存關係溫度昇高則RDS(ON)變大由于額定值的表示為Tch=25℃,因此實際動作上的損耗計算要從RDS(ON)的溫度依存關係上推測。由于RDS(ON)持有正的溫度特性,它使得元件內的溫度達到均一。此外,並列接續時每個元件之間的熱平衡亦能保持良好的狀態。18QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性　　6:6:VVGS(GS(thth))溫度依存關係溫度依存關係VGS(th)的特性為:溫度昇高隨之降低。一般情況約有-5mV/℃左右的降低。要將對付噪聲方面的問題列入考慮,引起注意。有可能因外部噪聲而引起誤動作。本特性為－8mV/℃19QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性7:7:門極充電門極充電ＱＱgg在設計驅動極時使用從VGS可以得出Qg,　驅動時的最大電流用　　IP=Qg/t來求得,驅動極IC的能力便可決定。另外,還可求得驅動極的損耗。20QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET的各種特性的各種特性8:8:電容特性電容特性若VDS低Crss就變大影響開關損耗,特別是要影響關斷損耗21QualityisourmessageQualityisourmessage開關損耗的降低開關損耗的降低1)Turn-ON(VDSVGS)　　　由于VDS比ＶＧＳ要大,因此Cmi(=CGD)的影響就小2)Turn-OFF(VDSVGS)　　　由于VDS是從零開始增大的,Cmi(=CGD)較大　Qgd大　　　　　　　　　　　　低Qｇｄ使得關斷損耗變小td(on)trtd(oftftofftonVDSVGSturn-onturn-off①②VG1VG2VG2VG1Qg1Qg2Qg3VGCVDSCmi(=CGD)CGSCDS22QualityisourmessageQualityisourmessage損耗的計算損耗的計算((例子例子))23QualityisourmessageQualityisourmessage求驅動極損耗的門極充電的特性求驅動極損耗的門極充電的特性Turn-ONVGS0t1t2t30門極充電的特性VGS(th)IDVDSQgsQgdQgfcVCissPGSdrive•••=2212)(fcVQgGS••=()GSVCissQg•≅24QualityisourmessageQualityisourmessage道通損耗的計算道通損耗的計算((例子例子))∫••=twononDStDSRONdtRIfcP0)()()(2)()(2200)(3122onDSonDDDDRtIIIIfc••+•+•=Id0t(on)VDS2VDSVDS1ID2ID1IDtrtf25QualityisourmessageQualityisourmessage平均導通、關斷損耗的計算平均導通、關斷損耗的計算((例子例子))fctVIdttVtIfcPrDSDDStrDon•••=••=∫)(61)()(110)(fctVIdttVtIfcPfDSDDStfDoff•••=••=∫)(61)()(220)(igQgdQgdQgdtr)21(+==igQgdQgdQgdtf)21(+==VDS2VDSVDS1ID2ID1IDtrtf26QualityisourmessageQualityisourmessageMOSFETMOSFET使用上的注意事項使用上的注意事項27QualityisourmessageQualityi