1、功率 MOSFET簡(jiǎn)介

　　功率 MOSFET 于 20 世紀(jì) 70 年代首次推出，并成為世界上應(yīng)用最廣泛的功率晶體管。與雙極功率晶體管等老技術(shù)相比，它們?cè)诰€性和開(kāi)關(guān)應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)包括極大改進(jìn)的開(kāi)關(guān)特性、易于并聯(lián)、沒(méi)有二次擊穿效應(yīng)以及更寬的安全工作區(qū) (SOA)。MOSFET 屬于電壓驅(qū)動(dòng)型跨導(dǎo)器件。

　　構(gòu)成 MOSFET 管芯的硅的不同摻雜方式將 MOSFET 分成兩個(gè)技術(shù)大類，，即平面型和溝槽型，如 圖 1 所示。

　　功率 MOSFET 管芯由許多并聯(lián)的獨(dú)立單元或平面帶組成，并通過(guò)網(wǎng)狀柵極連接在一起。

　　英飛凌 OptiMOS? 器件基于溝槽技術(shù)，而 CoolMOS? 器件基于超結(jié)技術(shù)，它是增強(qiáng)的平面技術(shù)，可降低導(dǎo)通電阻并取代舊的 HEXFET? 器件。

　　本應(yīng)用說(shuō)明中討論的主題適用于所有這些硅功率 MOSFET 技術(shù)，但可能不適用于其他功率器件和技術(shù)，例如 IGBT、碳化硅 (SiC) FET 或氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管(HEMT)。重點(diǎn)將放在 N 溝道增強(qiáng)型器件上，這類器件占所生產(chǎn)功率 MOSFET 的大部分。

　　雖然功率 MOSFET 最初看起來(lái)是簡(jiǎn)單的三端電壓驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)器件，但這種想法非常具有誤導(dǎo)性。實(shí)際上，這些器件很復(fù)雜，因此在開(kāi)始任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目之前，一定要深入了解其基本特性。這將大大減少令人懊惱的故障和電路燒毀!當(dāng)涉及到功率 MOSFET，或任何其他功率半導(dǎo)體器件時(shí)，花時(shí)間了解以下章節(jié)中描述的各個(gè)方面，最終都有利于節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

　　2、功率 MOSFET握持和測(cè)試

　　用戶與 MOS 柵極晶體管的第一次接觸可能是放在他們辦公桌上的一包器件。即使在這個(gè)階段，了解一些基本的預(yù)防措施也很重要。功率 MOSFET 是具有極高柵極阻抗的 MOS 器件，在握持、測(cè)試或安裝到電路中時(shí)，會(huì)因靜電放電而損壞。MOSFET 的 ESD 損壞通常發(fā)生在柵源電壓高到足以在柵電介質(zhì)上產(chǎn)生電弧時(shí)。這會(huì)在柵極氧化物中燒出一個(gè)微小的孔，導(dǎo)致器件在操作過(guò)程中立即或隨后發(fā)生故障。

　　功率 MOSFET 器件具有足夠高的輸入電容來(lái)吸收一些靜電荷，而不會(huì)過(guò)度累積電壓。但是，為避免可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以下程序應(yīng)作為良好方法并盡可能加以遵循：

　　a、MOS 柵極晶體管應(yīng)放置在其防靜電運(yùn)輸袋或?qū)щ娕菽?，或者?yīng)放置在金屬容器或?qū)щ娤渲?，?/p>

　　到需要進(jìn)行測(cè)試或連接到電路中時(shí)才能取出。操作器件的人員應(yīng)佩戴良好接地的防靜電腕帶，盡管

　　這種額外的預(yù)防措施很少是必要的。

　　b、應(yīng)握持器件的封裝，而非引線。在曲線測(cè)量?jī)x或測(cè)試電路中測(cè)試 MOS 柵極晶體管的電氣特性時(shí)，應(yīng)注意以下注意事項(xiàng)：

　　1.測(cè)試站應(yīng)在測(cè)試臺(tái)上使用導(dǎo)電地板和接地防靜電墊。

　　2.將器件插入曲線測(cè)量?jī)x或測(cè)試電路時(shí)，在所有端子牢固連接到電路之前，不應(yīng)施加電壓。

　　3.使用曲線測(cè)量?jī)x時(shí)，應(yīng)在柵極串聯(lián)電阻，以抑制可能在導(dǎo)線上發(fā)生的寄生振蕩。合適的電阻值為 100 Ω。

　　c、下一步是將器件連接到實(shí)際電路中。應(yīng)遵守以下簡(jiǎn)單預(yù)防措施：

　　1.工作站應(yīng)使用電氣接地的桌面和地板墊。

　　2.烙鐵應(yīng)接地。

　　現(xiàn)在，器件已連接到電路中，可以通電了。從這里開(kāi)始，能否成功應(yīng)用該器件取決于電路設(shè)計(jì)的完整性，以及是否采取了必要的電路設(shè)計(jì)預(yù)防措施以防止無(wú)意中濫用其額定值。

　　以下章節(jié)描述了相關(guān)的器件和電路考慮因素，這些因素是可靠、無(wú)缺陷設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

　　3、反向阻斷特性

　　所有功率 MOSFET 器件都有額定最大反向電壓，即 V(BR)DSS。如果漏源電壓超過(guò)此限制，則會(huì)在反向偏置的p-n 結(jié)上產(chǎn)生高電場(chǎng)。由于強(qiáng)電離的作用，這些高電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，它們會(huì)出現(xiàn)不受控制的倍增效應(yīng)，導(dǎo)致載流子濃度進(jìn)一步增加。這就是雪崩效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)器件的電流增加，從而導(dǎo)致高功耗、快速升溫和潛在的器件損壞。

　　在超過(guò) MOSFET 的擊穿電壓時(shí)，通常會(huì)發(fā)生雪崩，這通常是由于非鉗位電感開(kāi)關(guān)(UIS) 造成的，其中器件的使用超出了其數(shù)據(jù)表規(guī)范。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡一切合理努力避免 MOSFET 工作在雪崩狀態(tài)。實(shí)際上，在大電流應(yīng)用中，由于 MOSFET 封裝和 PCB 走線中的寄生電感或變壓器漏感(例如在反激式轉(zhuǎn)換器中)，會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷瞬態(tài)高壓。通過(guò)漏極電壓的鉗位效應(yīng)可觀察雪崩。

　　MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 V(BR)DSS 額定值是考慮制程差異的最小值，這意味著盡管某些器件可能會(huì)在更高的電平上鉗位，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的最壞情況。V(BR)DSS 隨溫度略有增加，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中圖表所示。

　　3.1、雪崩失效機(jī)制

　　3.1.1、閂鎖效應(yīng)

　　在這種情況下，雪崩事件會(huì)產(chǎn)生漏極電流，在電場(chǎng)強(qiáng)度更大的位置，漏極電流也會(huì)更大。閂鎖效應(yīng)是由寄生在功率MOSFET 中的 NPN 雙極結(jié)型晶體管 (BJT)產(chǎn)生。如果器件的結(jié)構(gòu)使得寄生 BJT 附近的電場(chǎng)很高，則大量電流將流過(guò)其基極電阻，從而在基極和發(fā)射極之間產(chǎn)生電壓。如果此電壓達(dá)到某個(gè)閾值，雙極晶體管就會(huì)導(dǎo)通，大部分雪崩電流會(huì)流經(jīng)它，從而產(chǎn)生潛在的破壞性影響，因?yàn)闆](méi)有辦法可以控制電流。

　　由于閂鎖效應(yīng)機(jī)制已廣為人知，英飛凌在所有 OptiMOS? 技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中一直在努力減輕其影響。因此，在許多 MOSFET 技術(shù)中，閂鎖效應(yīng)不會(huì)發(fā)生。但是，并非所有 MOSFET 技術(shù)都是如此，因此仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊(cè)以了解特定器件使用的技術(shù)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)非常重要。

　　3.1.2、熱失效

　　當(dāng) MOSFET 的結(jié)溫達(dá)到 Tj,destr時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱損壞。Tj,destr接近硅材料的本征溫度，在這個(gè)溫度時(shí)熱載流子的密度等于本地?fù)诫s的濃度。因此，當(dāng)達(dá)到這樣的溫度時(shí)，MOSFET 將不再像半導(dǎo)體器件那樣工作。OptiMOS?系列之間的 Tj,destr 差異不大，該值通常接近 400°C。鑒于在英飛凌 OptiMOS? 系列的技術(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中采取了防止閂鎖效應(yīng)的預(yù)防措施，熱損壞是由雪崩引起的大多數(shù)失效的原因。即使是易發(fā)生閂鎖效應(yīng)的技術(shù)，熱失效也更有可能發(fā)生。

　　遺憾的是，應(yīng)對(duì)熱損壞需要在技術(shù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行一些權(quán)衡，因?yàn)樗鼤?huì)影響高性能技術(shù)的一些關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，特別是 FOM RDS(on) x A。事實(shí)上，雖然降低 RDS(on) x A 的技術(shù)可以在特定的 RDS(on) 值下采用更小尺寸的芯片，但更大的管芯面積可以減輕高能雪崩事件引起的升溫。

　　3.2、雪崩測(cè)試

　　MOSFET 雪崩耐受能力通過(guò)單脈沖 UIS 測(cè)試電路進(jìn)行測(cè)試，如下圖所示。

　　在這些電路中，特定時(shí)長(zhǎng)的脈沖施加到MOSFET 柵極以導(dǎo)通器件，漏極電流因串聯(lián)電感而線性上升。然后MOSFET 關(guān)斷，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù) di/dt，從而產(chǎn)生瞬變電壓。

　　在去耦電路中，兩個(gè) MOSFET 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，因此電感電壓等于施加在 MOSFET 漏極和源極之間的電壓。關(guān)斷瞬態(tài)上升至V(BR)DSS 以上，這樣在雪崩條件下，存儲(chǔ)在電感中的能量(由脈沖長(zhǎng)度和電感定義)可以傳輸?shù)組OSFET。英飛凌實(shí)施雪崩應(yīng)力測(cè)試以確保符合 EAS 等級(jí)、驗(yàn)證穩(wěn)固性并篩選有缺陷的器件。

　　3.3、單次和重復(fù)雪崩條件

　　MOSFET 在單個(gè)脈沖中所能承受的雪崩能量有一個(gè)定義的最大值，在特定的一組測(cè)試條件下、MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中將其指定為 EAS。顧名思義，單脈沖雪崩事件只允許發(fā)生一次，特別是在條件接近數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的限值時(shí)。這是因?yàn)檫@些限值對(duì)應(yīng)于高于 MOSFET Tj,max 的結(jié)溫，因此重復(fù)此類事件會(huì)損害 MOSFET 的使用壽命。請(qǐng)記住雪崩不是推薦的操作條件。

　　在重復(fù)雪崩的情況下，雪崩事件以快速重復(fù)頻率連續(xù)發(fā)生，這通常與開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用電路的開(kāi)關(guān)頻率 (fSW) 相同。每個(gè)雪崩事件允許的安全雪崩能量遠(yuǎn)低于單脈沖雪崩。

　　在大多數(shù)重復(fù)雪崩情況下，由于每次雪崩事件的能量相對(duì)較低，與最壞情況下的單脈沖雪崩相比，硅材料溫升可以忽略不計(jì)。觀察到的 VDS 尖峰僅略微超過(guò) MOSFET V(BR)DSS,(min,25) 額定值，而在高能單脈沖雪崩測(cè)試期間記錄的振幅為 1.2~1.3 x V(BR)DSS,(min,25)。單次雪崩額定值和重復(fù)雪崩額定值之間的相關(guān)差異與此類事件引起的允許 Tj,max 有關(guān)。事實(shí)上，雖然在單脈沖雪崩中允許結(jié)溫超過(guò) Tj,max，但對(duì)于重復(fù)雪崩卻不是這樣。

　　在重復(fù)雪崩中超過(guò) Tj,max 會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，這可能會(huì)降低器件在其使用壽命內(nèi)的可靠性，從而導(dǎo)致過(guò)早失效。對(duì)于采用 QFN 5x6 (SuperSO8) 或 S3O8 封裝的器件，Tj,max 可低至 150°C。這是封裝而非硅材料本身的限制，硅通?？梢猿惺? 175°C。因此，在某些情況下，當(dāng)采用不同封裝(例如 TO-220 或 D2PAK)時(shí)，具有相同管芯的 MOSFET，其額定溫度為 175°C。

　　區(qū)分單脈沖和重復(fù)雪崩非常重要，因?yàn)樗鼈冇绊懻?MOSFET 特性的方式大不相同。單脈沖雪崩的兩種器件失效模式是由高電流(閂鎖效應(yīng))或高能量(熱損壞)引起的。這些失效模式是災(zāi)難性的;然而，在重復(fù)雪崩情況下，損壞過(guò)程是漸進(jìn)的，通過(guò)重復(fù)的微損傷非常緩慢地影響器件。即使是低能量雪崩事件也會(huì)產(chǎn)生一些熱載流子，這些載流子電荷沿著功率 MOSFET 的溝槽氧化物注入。重復(fù)雪崩事件會(huì)引起電荷積累，這會(huì)慢慢損害器件可靠性。這可能導(dǎo)致一段時(shí)間后發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)失效。

　　值得一提的是，為了降低重復(fù)雪崩對(duì)技術(shù)參數(shù)的影響，英飛凌需要在絕大多數(shù)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的其他品質(zhì)因數(shù)上做出重大妥協(xié)。這對(duì)于正常使用MOSFET 時(shí)很少發(fā)生的事件而言，代價(jià)太高了，設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力避免發(fā)生這種事件。因此，英飛凌不會(huì)在 OptiMOS?“工業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)”數(shù)據(jù)手冊(cè)中加入重復(fù)雪崩額定值。

　　3.4、如何避免雪崩事件

　　首先，有必要為應(yīng)用選擇具有正確V(BR)DSS 額定值的器件。這意味著在最壞的工作條件下，器件漏極和源極兩端的最大穩(wěn)態(tài)電壓應(yīng)考慮至少 20% 的安全裕度。在可能發(fā)生大的關(guān)斷瞬態(tài)情況下，將需要更高的安全裕度來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠操作

　　例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器中，采用 MOSFET V(BR)DSS 額定值為 DC 總線電壓兩倍的情況并不少見(jiàn)。然而，選擇比所需額定值更高的器件是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@會(huì)帶來(lái)更高的 RDS(on)，而且成本也可能更高。

　　用于減少關(guān)斷瞬態(tài)的方法包括通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)減緩 MOSFET 的關(guān)斷速度，以及在漏極和源極之間添加 RC 緩沖器。當(dāng)然，這兩種方法都會(huì)造成額外的開(kāi)關(guān)損耗，從而降低系統(tǒng)效率。

　　4、MOSFET 額定電流和散熱

　　沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的用戶可能會(huì)認(rèn)為 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)上的連續(xù)漏極額定電流ID(MAX) 代表器件在實(shí)際系統(tǒng)中的工作電流。但重要的是要認(rèn)識(shí)到事實(shí)并非如此!

　　此類 ID(MAX) 額定值基于實(shí)際設(shè)計(jì)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的理想測(cè)試條件。測(cè)試條件通常涉及非常大的散熱器或通過(guò)人工冷卻將管芯溫度保持在較低水平。

　　應(yīng)該注意的是，不同制造商使用不同的標(biāo)準(zhǔn)(有些標(biāo)準(zhǔn)比其他標(biāo)準(zhǔn)更保守)來(lái)確定其 MOSFET ID(MAX) 額定值，這些方法也在隨著時(shí)間的推移而發(fā)展。因此，通過(guò)這些額定值來(lái)比較不同器件的能力是錯(cuò)誤的!英飛凌現(xiàn)在使用的方法在 [5]中進(jìn)行了描述。

　　比較不同器件的更現(xiàn)實(shí)的方法是基于功率損耗，以及在給定的一組條件下功率損耗如何導(dǎo)致管芯和封裝溫度上升。

　　作為第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比較 25°C 時(shí)的 RDS(on) 很有用，因?yàn)檫@為比較提供了通用基礎(chǔ)。RDS(on)由串聯(lián)管芯和封裝電阻組成1，前者取決于柵源電壓 VGS。

　　RDS(on) 與結(jié)殼熱阻 RTH(JC) 結(jié)合使用，2 可以更好地顯示功率 MOSFET 的真實(shí)電流承載能力。以下焊接到PCB上的典型的 SMD 封裝 功率 MOSFET 的剖面圖提供了更清晰的圖像。管芯底部連接到金屬片，使漏極與電路板相連接。源極和柵極連接通過(guò)鍵合線連接到形成外部引線的引線框架。由于漏極電流流經(jīng)源極，因此使用了幾根鍵合線，有時(shí)還會(huì)用到幾根源極引線。在一些大電流器件中，會(huì)使用銅夾代替源極鍵合線以實(shí)現(xiàn)更低的電阻。

　　顯然，當(dāng)電流通過(guò)漏源路徑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，并產(chǎn)生熱量。開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器也會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)消耗一定的能量，開(kāi)關(guān)損耗與頻率有關(guān)。總損耗包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，通過(guò)封裝頂部和/或底部傳輸出去。散熱方式因封裝而異。大多數(shù)封裝都是底部或背部散熱，如上例所示，其中大部分熱量通過(guò)漏極散熱片傳遞到 PCB，這需要在漏極焊盤下方添加大量熱通孔以將熱量傳遞到電路板底部。然后可以在電路板下方安裝散熱器。也有頂部散熱封裝，如 TOLT 封裝，其封裝內(nèi)的管芯和引線框架的內(nèi)部布局不同;它們?cè)诜庋b頂部有一個(gè)裸露的金屬焊盤，可以用來(lái)安裝散熱器。

　　散熱器尺寸必須能夠從 MOSFET 管芯傳遞足夠的熱量，使其結(jié)溫保持在最大額定水平以下。設(shè)計(jì)人員必須首先選擇正確的 MOSFET 管芯尺寸和封裝以限制功率損耗，接著必須選擇合適的散熱器來(lái)保持安全結(jié)溫。

　　除了散熱器尺寸和表面積(由翅片的形狀和數(shù)量決定)外，還必須考慮結(jié)至環(huán)境熱阻。這取決于所使用的散熱器布局，可以通過(guò)將結(jié)與散熱器之間的所有串聯(lián)熱阻(包括 PCB、隔熱材料/TIM 等)以及散熱器本身的熱阻相加來(lái)計(jì)算熱阻(參見(jiàn)圖 9)。顯然，需要低結(jié)至環(huán)境熱阻來(lái)有效地傳遞 MOSFET 管芯的熱量，并使其能夠安全地傳導(dǎo)盡可能高的電流。

　　總之，從電流處理的角度來(lái)看整體情況比過(guò)分關(guān)注數(shù)據(jù)手冊(cè)的 ID(MAX) 額定值更有意義。

　　5、柵源電壓瞬變

　　過(guò)大的電壓瞬態(tài)會(huì)穿透薄柵源氧化層，造成永久性損壞。不幸的是，這種瞬態(tài)在電源開(kāi)關(guān)電路中產(chǎn)生，并且可以耦合到敏感的 MOSFET 柵極輸入端。強(qiáng)烈建議設(shè)計(jì)人員仔細(xì)查看柵極驅(qū)動(dòng)波形，以確保不存在超出器件限制的正負(fù)瞬態(tài)(功率 MOSFET 通常為 +/-20 V，但應(yīng)在數(shù)據(jù)手冊(cè)上確認(rèn))。

　　在柵極驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)通或關(guān)斷操作期間，當(dāng)器件從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換至關(guān)斷狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高 dVDS/dt，反之亦然?？紤]到柵極、源極和漏極引線中存在寄生電感，以及 MOSFET CGD(米勒電容)，可以理解的是，這些寄生參數(shù)的組合會(huì)在柵極和源極之間產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。幸運(yùn)的是，柵極電容 CGS 可以減輕這種影響。

　　CGS/CGD 的比率必須盡可能高，以盡量減少漏源電壓耦合。優(yōu)化 PCB 布局以盡可能減少寄生電感也很重要。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員會(huì)添加小柵源電容來(lái)幫助減少這些尖峰，盡管這也會(huì)減緩 MOSFET 的開(kāi)關(guān)速度。

　　CGS 和 CGD 值取決于電壓，因此通常不會(huì)直接引用MOSFET 數(shù)據(jù)表中的值。更方便的是查看相關(guān)的電荷值QGD 和 QGS。電荷比通常表示為：QGD/QGS 或 QGD/QGS(TH)，較低的值意味著器件不太容易受到通過(guò) CGD 耦合的感應(yīng)導(dǎo)通的影響。

　　6、安全工作區(qū)

　　現(xiàn)代功率 MOSFET 的發(fā)展聚焦在在具有超低 RDS(on) 的快速開(kāi)關(guān)上，因此減小管芯面積已成為發(fā)展趨勢(shì)。因此，特定 RDS(on) 器件的功率承載能力普遍下降，特別是在線性工作模式下(在飽和區(qū))。在設(shè)計(jì)功率MOSFET(或任何其他類型的功率晶體管)時(shí)，必須密切關(guān)注 SOA 圖，并確保該器件永遠(yuǎn)不會(huì)在所定義的極限線之外工作。如果超出了這些限制，可靠的設(shè)計(jì)是不可能實(shí)現(xiàn)的!

　　為了準(zhǔn)確地設(shè)定這些限制，英飛凌對(duì)許多樣品進(jìn)行了廣泛測(cè)試，其中包括對(duì)器件進(jìn)行破壞性測(cè)試。在某些應(yīng)用中，會(huì)在飽和區(qū)內(nèi)持續(xù)工作一段時(shí)間，例如浪涌電流限制或“熱插拔”。在這些情況下，必須特別注意所需脈沖持續(xù)時(shí)間的 SOA 限制，以確保絕不會(huì)超過(guò)這些限制。

　　在典型的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，SOA 不容忽視，因?yàn)槠骷诿總€(gè)開(kāi)關(guān)周期都會(huì)通過(guò)飽和區(qū)，除非是零電壓或零電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。這些轉(zhuǎn)換發(fā)生得很快，因此在規(guī)定的條件下， MOSFET 可以承受更高的電流脈沖。但是，建議檢查是否在 SOA 限制范圍內(nèi)工作。重要的是要記住，當(dāng)減慢 MOSFET 的導(dǎo)通或關(guān)斷速度(如 第 3.4 節(jié)所述)以減少 EMI 或關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)，飽和區(qū)的工作時(shí)間會(huì)增加。

　　英飛凌功率 MOSFET(本例中為 BSC010NE2LS )的 SOA 圖如下所示。其他 MOSFET 的 SOA 曲線通常至少包括一些相同的限制線，但可能看起來(lái)有些不同。定義 SOA 圖的五個(gè)限制線是 RDS(on) 限制線(藍(lán)線)、電流限制線(紅線)、最大功率限制線(深綠色線)、熱不穩(wěn)定性限制線(淺綠線)和擊穿電壓限制線(黃線)。在這些限制線內(nèi)，綠色陰影區(qū)域給出了MOSFET 可以安全工作的區(qū)域。在本例中，限制線為恒定外殼溫度Tc = 25°C 和持續(xù)時(shí)間為 100 μs 的單個(gè)脈沖。器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中的完整 SOA 圖為各種脈沖寬度和連續(xù)(DC) 工作提供了其他的限制線。

　　6.1、RDS(on) 限制(藍(lán)色)

　　對(duì)于 VGS = 10 V 和 Tj = 150°C 的特定漏源電壓，RDS(on) 限制線由歐姆定律決定。 RDS(on) 的值具有正溫度系數(shù)，因此在較低溫度下可能有較高的漏極電流。

　　6.2、最大工作電流限制(紅色)

　　這代表了封裝的最大電流承載能力，超過(guò)該能力就會(huì)失效，盡管其中的 MOSFET 管芯可能完好無(wú)損。與采用夾式鍵合技術(shù)的封裝(如 SuperSO8)相比，采用鍵合線的封裝(如DPAK)具有不同的最大電流承載能力。管芯有效面積也會(huì)影響封裝的電流承載能力，因?yàn)檫@決定了鍵合方案(鍵合線數(shù)量、鍵合線直徑、夾子尺寸)。封裝限制線不會(huì)隨著溫度或其他條件而改變。

　　6.3、功率限制(深綠色)

　　這是根據(jù)器件允許消耗的最大功率計(jì)算得出的，該功率在熱平衡狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生 150°C 的穩(wěn)定結(jié)溫 Tj，其中Tc = 25°C。考慮到封裝結(jié)到殼熱阻 ZthJC(以 °C/W 為單位定義)，一定的功耗會(huì)產(chǎn)生125°C 的 ?T。這決定了功率限制線，其中 VDS 和 ID 的乘積保持不變以確定斜率。

　　對(duì)于短脈沖，ZthJC 的值取決于脈沖長(zhǎng)度及其占空比。ZthJC 可以從數(shù)據(jù)表中的相應(yīng)圖表中獲取。SOA圖顯示增加的脈沖持續(xù)時(shí)間使最大熱限制線向下移動(dòng)，反映了若脈沖長(zhǎng)度更長(zhǎng)和/或占空比更大，熱阻也會(huì)更高。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，Tj 不會(huì)保持在 25°C，因此不可能在 SOA 標(biāo)定的功率極限下運(yùn)行器件。根據(jù)封裝、散熱器以及是否使用強(qiáng)制風(fēng)冷，最大允許功耗將會(huì)是使穩(wěn)態(tài) Tj 達(dá)到 150°C 的功耗。與往常一樣，建議不要在其極限情況下運(yùn)行器件，因此在實(shí)踐中應(yīng)包括一些安全裕度。

　　6.4、熱穩(wěn)定性限制(淺綠色)

　　熱穩(wěn)定性限制線對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠的功率MOSFET 工作也至關(guān)重要。在某些情況下，特別是對(duì)于早期的器件，盡管該器件可能會(huì)表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性限制，但數(shù)據(jù)表 SOA 圖表可能不包括此限制線。一般而言，熱不穩(wěn)定性是指相對(duì)于溫度，功率損耗比功率耗散上升得更快，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱平衡的情況。相反，熱失控的出現(xiàn)是由于器件的較熱晶胞中出現(xiàn)了電流擁擠(參見(jiàn) 第 1 節(jié))。這被稱為 Spirito 效應(yīng)，當(dāng)晶胞變得更熱時(shí)，就會(huì)吸收更多電流，導(dǎo)致其溫度進(jìn)一步升高，直到最終損壞。在這種情況下，電流無(wú)法在晶胞間均勻分布。

　　在給定的 VGS 值下，漏極電流隨溫度增加，就會(huì)發(fā)生熱不穩(wěn)定。VGS 值低于零溫度系數(shù) (ZTC) 點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況。在較高的 VGS 水平下，漏極電流隨溫度降低。如 圖 13 所示。

　　VGS 上溫度系數(shù)從正到負(fù)的變化是由兩個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)的效應(yīng)引起的。由于電子遷移率較低，MOSFET 的電阻會(huì)隨溫度增加，而閾值電壓 (VTH) 會(huì)隨溫度上升而降低，因?yàn)楦嗟碾娮訒?huì)激發(fā)到導(dǎo)帶中。在低溫下，閾值電壓隨溫度升高而降低的影響占主導(dǎo)地位，電流隨溫度增加而增加，而在較高溫度下，RDS(on) 的增大占主導(dǎo)地位，ID 會(huì)隨溫度升高而降低。

　　如上所示，當(dāng) VGS 低于 ZTC 點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱不穩(wěn)定。因此，ZTC 處在高電流和高 VGS 電壓 的 MOSFET 將更容易出現(xiàn)熱不穩(wěn)定。ZTC 點(diǎn)與 MOSFET 跨導(dǎo)(gm 或 gfs)直接相關(guān)。隨著跨導(dǎo)增加，ZTC 點(diǎn)將向更高的 VGS 移動(dòng)。現(xiàn)代功率 MOSFET 的跨導(dǎo)不斷增加，因此 ZTC 點(diǎn)也位于更高的 VGS。

　　為避免由于熱不穩(wěn)定性而導(dǎo)致的失效，設(shè)計(jì)人員需要確保不會(huì)違反 SOA 熱穩(wěn)定性限制。

　　6.5、擊穿電壓(黃色)

　　這代表 第 3 節(jié)中描述的器件 V(BR)DSS 額定值。

　　7、感應(yīng)導(dǎo)通和擊穿

　　感應(yīng)導(dǎo)通是 MOSFET 用于快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象，當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，漏極處會(huì)出現(xiàn)高dVDS/dt 轉(zhuǎn)換。這通常發(fā)生在硬開(kāi)關(guān)1 應(yīng)用中，如開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器，其中兩個(gè) MOSFET 用于半橋配置。

　　高側(cè)和低側(cè) MOSFET 交替導(dǎo)通和關(guān)斷，在一個(gè)器件的關(guān)斷和另一個(gè)器件的導(dǎo)通之間留有很短的死區(qū)時(shí)間，以防止交疊，從而避免產(chǎn)生非常高的電流脈沖。在低側(cè) MOSFET 關(guān)斷時(shí)，死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，高側(cè)導(dǎo)通。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，HB 節(jié)點(diǎn)會(huì)從零伏狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換到 VBUS。

　　圖 15 顯示了“C.dv/dt”如何使電流脈沖通過(guò) CGD 耦合至柵極，柵極電壓通過(guò) RG(EXT) 將其拉至零伏狀態(tài)。該電流脈沖可以在柵極處引起電壓尖峰。重要的是要記住，MOSFET 也可能具有很大的內(nèi)部柵極電阻RG(INT)，因此出現(xiàn)在晶圓上的感應(yīng)柵極尖峰可能比在柵極端子處觀察到的尖峰大。

　　如果感應(yīng)尖峰超過(guò)了 MOSFET VTH，則在高側(cè) MOSFET 完全關(guān)斷之前，器件將短暫部分導(dǎo)通。當(dāng)兩個(gè)器件都部分導(dǎo)通時(shí)，高電流會(huì)流過(guò)半橋，這可能會(huì)超出 SOA 限制并損壞一個(gè)或兩個(gè)器件。

　　7.1、如何避免感應(yīng)導(dǎo)通

　　如 第 5 節(jié)所述，MOSFET 具有較高 CGS/CGD，則意味著 QGD/QGS 和 QGD/QGS(TH)較低，更不易受到漏源電壓耦合的影響。對(duì)于硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用，建議使用 0.5 到 0.8 的 QGD/QGS 和小于 1.0 的 QGD/QGS(TH) 。應(yīng)該注意的是，較低的QGD/QGS 器件可能會(huì)在柵極出現(xiàn)較大的振鈴，但這取決于 RG(INT) 值和電路回路電感。

　　感應(yīng)導(dǎo)通可以通過(guò)減緩開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度來(lái)降低，從而降低 dv/dt。這可以通過(guò)增加 Rg_on 來(lái)減緩高側(cè)器件的導(dǎo)通速度來(lái)實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)圖 6)。根據(jù)電路開(kāi)關(guān)特性，高側(cè)和低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可能相同，也可能不同。降低導(dǎo)通速度也會(huì)降低輻射 EMI，但也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，因此需要謹(jǐn)慎考慮權(quán)衡取舍。

　　減少感應(yīng)導(dǎo)通的另一種方法是使用“關(guān)斷快于導(dǎo)通”類型的柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括二極管和電阻器，以支持柵極強(qiáng)下拉功能，同時(shí)支持較慢的導(dǎo)通。這種方法在關(guān)斷狀態(tài)下效果很好，但也會(huì)導(dǎo)致快速關(guān)斷，這往往會(huì)產(chǎn)生更高的漏極瞬態(tài)電壓，此電壓有引起雪崩的風(fēng)險(xiǎn)——這是在設(shè)計(jì)期間需要考慮的另一個(gè)平衡。值得一提的是，英飛凌現(xiàn)在提供的一些智能柵極驅(qū)動(dòng)器 IC1 包括一個(gè)可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)，其中柵極電流可以在不同的工作階段進(jìn)行定義，從而消除了電阻二極管柵極驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)，并能夠精確定制柵極驅(qū)動(dòng)，以支持在開(kāi)關(guān)期間和關(guān)斷狀態(tài)下進(jìn)行優(yōu)化。

　　第三種方法是添加外部柵源電容器。這種方法可以通過(guò)增加有效的 CGS/CGD 來(lái)降低感應(yīng)柵極瞬態(tài)的幅度，但這會(huì)減緩開(kāi)關(guān)速度，因此應(yīng)僅在必要時(shí)應(yīng)用并保持在最小值。

　　8、體二極管

　　體二極管是 MOSFET 結(jié)構(gòu)中的固有部分，由 p-body 層和 n-epi 層之間的 p-n 結(jié)形成，如 圖 4 所示。功率MOSFET 是三端器件，其本體和源極在內(nèi)部連接。這可以通過(guò)查看 n 溝道和 P 溝道器件的電路符號(hào)來(lái)理解。

　　與其他 p-n 結(jié)二極管一樣，MOSFET 體二極管具有少數(shù)載流子反向恢復(fù)，因此具有一定的反向恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)二極管在承載正向電流的同時(shí)反向偏置時(shí)，就會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)現(xiàn)象。反向恢復(fù)在數(shù)據(jù)表中的特征是時(shí)間trr 和在一組指定條件下測(cè)試的反向恢復(fù)電荷Qrr。

　　在區(qū)間(1)，二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，并在區(qū)間(2)開(kāi)始導(dǎo)通。在導(dǎo)通過(guò)程結(jié)束時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱?。反向恢?fù)電荷累積并存儲(chǔ)，而正向偏置二極管在區(qū)間 (3) 期間承載正電流。在關(guān)斷區(qū)間 (4) 開(kāi)始時(shí)，電流減小到零，然后以相反方向流動(dòng)。在區(qū)間 (5) 期間完成反向恢復(fù)，在區(qū)間 (6) 完成關(guān)斷過(guò)程，此時(shí)二極管處于阻塞狀態(tài)。圖中的陰影區(qū)域表示Qrr，這是硬換向穩(wěn)固性的關(guān)鍵器件參數(shù)。

　　在上一節(jié)所述的半橋功率開(kāi)關(guān)電路中，在將高開(kāi)關(guān)電流進(jìn)入到感應(yīng)負(fù)載時(shí)，體二極管反向恢復(fù)就變得很重要。考慮一個(gè)在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作的同步降壓穩(wěn)壓器，Q1 導(dǎo)通，Q2 關(guān)斷，其中電流 IL 從半橋開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)流出。

　　當(dāng) Q1 關(guān)斷時(shí)，電感電流通過(guò) Q2 體二極管，然后 Q2 在死區(qū)時(shí)間結(jié)束后導(dǎo)通。在 Q2 導(dǎo)通(同步整流)周期結(jié)束時(shí)，它再次關(guān)斷，因此電流再次流過(guò)其體二極管。在死區(qū)時(shí)間結(jié)束時(shí)，Q1 導(dǎo)通，此時(shí) Q2 體二極管恢復(fù)變得至關(guān)重要。如果 Q1 導(dǎo)通過(guò)快，則 Q2 的集成體二極管的峰值反向恢復(fù)電流就會(huì)上升過(guò)快，繼而超過(guò)峰值反向恢復(fù)電流額定值，器件可能會(huì)損壞!

　　不同的 MOSFET 技術(shù)具有不同程度的體二極管穩(wěn)固性和不同的反向恢復(fù)速度。對(duì)于會(huì)出現(xiàn)硬換向的應(yīng)用選擇適合的器件非常重要，即使這只是在某些操作條件下發(fā)生。英飛凌高壓 CoolMOS? 系列超結(jié) MOSFET 包括具有快速恢復(fù)體二極管的 CFD 系列器件。此外，還有多個(gè)系列的低壓和中壓 OptiMOS? 溝槽器件。一般規(guī)則是，根據(jù)發(fā)生的開(kāi)關(guān)類型為特定設(shè)計(jì)選擇正確類型的功率 MOSFET 很重要。

　　通過(guò)減緩換向過(guò)程中電流的變化率，可以降低體二極管的峰值反向恢復(fù)電流。通過(guò)減緩柵極驅(qū)動(dòng)的上升速度，可以控制電流的變化率，如圖 6 所示，并在第 3.4 節(jié)和第 7.1 節(jié)中進(jìn)行了討論。使用這種技術(shù)，峰值反向恢復(fù)電流可以降低到一個(gè)可接受的水平，而代價(jià)是要延長(zhǎng)高功耗開(kāi)關(guān)周期，因此始終需要權(quán)衡取舍。對(duì)于在高達(dá) 20 kHz 左右頻率下操作而言，可以減緩施加的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以降低“配對(duì)”器件體二極管的峰值反向恢復(fù)電流，這是一個(gè)很好的實(shí)用解決方案。在較高頻率下，設(shè)計(jì)人員必須特別注意 MOSFET 開(kāi)關(guān)所需的電壓和電流，并選擇合適的器件和柵極驅(qū)動(dòng)方案。

　　9、封裝和電路板布局注意事項(xiàng)

　　不同的功率 MOSFET 封裝，其寄生電感不同，引線封裝電感比 SMD 封裝更高，而且 SMD 封裝中存在的電感量取決于漏極和源極連接的內(nèi)部幾何形狀。因此，有必要考慮任何設(shè)計(jì)所需的封裝類型，不僅要考慮其熱特性，還要考慮封裝電感，而數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能沒(méi)有明確說(shuō)明。簡(jiǎn)而言之，在硬換向中開(kāi)關(guān)電流高時(shí)，SMD 封裝的電感要盡可能低，還需要良好的PCB 布局，以實(shí)現(xiàn)可接受的性能，并避免可靠性和潛在的 EMI問(wèn)題。在為電源應(yīng)用設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，建議使用制造商推薦的器件封裝，并確保遵循處理和焊接指南。

　　電源開(kāi)關(guān)電路中的雜散電感增加了過(guò)壓瞬態(tài)的振幅和能量，因此有必要降低開(kāi)關(guān)速度以避免雪崩事件。電壓瞬態(tài)是由電流的快速變化產(chǎn)生的：

　　其中 LS 由電流回路確定，電流回路從最近的總線去耦電容開(kāi)始，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件，然后返回電容。

　　在物理電路板布局中，電流回路的電感取決于形成回路的走線距離，以及 DC 總線去耦電容與MOSFET 的距離。較長(zhǎng)的走線和較大的回路面積也會(huì)產(chǎn)生輻射 EMI。通過(guò)將 MOSFET 彼此靠近放置并盡可能靠近 DC 總線去耦電容，可以最大限度地減少回路。這可以通過(guò)在 PCB 中使用兩層或多層線路，并將返回電流路徑直接置于電流路徑下方來(lái)實(shí)現(xiàn)，從去耦電容開(kāi)始，并通過(guò) MOSFET 以提供緊密耦合。返回路徑通常采用電源地平面的形式。通常在多層 PCB 中保留一個(gè)或多個(gè)銅層來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里應(yīng)該提到的是，信號(hào)/數(shù)字地和電源地應(yīng)該分開(kāi)，以避免“地彈”，它會(huì)影響敏感的控制電路。電源和信號(hào)地最好單點(diǎn)連接，最好是去耦電容接地連接。

　　下面展示了一個(gè)簡(jiǎn)化布局的剖面圖，該布局利用頂部和底部銅層創(chuàng)建了一個(gè)緊密的電流回路，用紅色虛線表示。這兩層通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接，也用于將熱量傳遞到電路板底部。

　　10、功率 MOSFET并聯(lián)

　　對(duì)于大電流的電源系統(tǒng)而言，了解和控制并聯(lián) MOSFET 之間的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)電流平衡非常重要。當(dāng)器件在歐姆區(qū)工作時(shí)，有可能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)電流平衡(參見(jiàn)圖 11)，因?yàn)?RDS(on) 具有正溫度系數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)電流平衡，因?yàn)槿绻粋€(gè)器件由于其 RDS(on) 低于其并聯(lián)器件而會(huì)傳導(dǎo)更多電流，則其管芯溫度就會(huì)升高，從而提高其RDS(on) 并因此實(shí)現(xiàn)電流平衡。為實(shí)現(xiàn)有效地工作，器件應(yīng)靠近放置，并用相同長(zhǎng)度和寬度的走線連接到它們的漏極和源極。

　　然而，在開(kāi)關(guān)條件下，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)會(huì)更加困難，隨著頻率的增加，更是如此。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)效應(yīng)在每次導(dǎo)通和關(guān)斷工作期間都會(huì)發(fā)揮作用，這可能會(huì)使一個(gè)器件比其他器件承受更大的壓力。以下器件參數(shù)的錯(cuò)誤匹配會(huì)影響開(kāi)關(guān)期間的電流分配和功耗：柵極閾值 (VTH)、跨導(dǎo) (gfs) 柵源電容 (CGS)、米勒電容 (CGD) 和體二極管恢復(fù) (Qrr)，以及 RDS(on)。如果部件匹配不當(dāng)，一個(gè)器件可能會(huì)在開(kāi)關(guān)期間承載大部分電流，這可能會(huì)超出SOA 限制。應(yīng)特別注意功率和熱穩(wěn)定性限制。除此之外，前面描述的熱平衡機(jī)制需要一些時(shí)間才能達(dá)到平衡，而當(dāng)快速開(kāi)關(guān)時(shí)，這不可能實(shí)現(xiàn)。在并聯(lián)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中上述參數(shù)的公差，因?yàn)楦鼑?yán)格的公差控制可以實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)平衡。

　　在 PCB 布局中，柵極回路和電流回路電感需要盡可能保持一致。電路布局應(yīng)盡可能保持對(duì)稱，以保持并聯(lián)MOSFET 中的電流均衡。并聯(lián)器件的柵極可以通過(guò)放置在柵極連接上的小鐵氧體磁珠去耦，或者通過(guò)與每個(gè)柵極串聯(lián)的單個(gè)電阻去耦，以防止寄生振蕩。

　　柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。由于當(dāng)?shù)谝粋€(gè) MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，并聯(lián) MOSFET 不太可能同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，因此在源極節(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)快速電壓擺動(dòng)。這可以通過(guò)較慢并聯(lián)器件的 CGD 耦合，并在共享柵極連接處產(chǎn)生電壓尖峰。這會(huì)在 MOSFET 快速導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生振蕩，可能會(huì)損壞MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器。為防止出現(xiàn)這種情況，每個(gè)并聯(lián) MOSFET 都應(yīng)有自己的柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，放置在柵極和柵極驅(qū)動(dòng)器的共享連接點(diǎn)之間。