對(duì)于電源方面的工程師、技術(shù)人員而言，相信大家對(duì)MOSFET都不會(huì)陌生。工程師們要選用某個(gè)型號(hào)的MOSFET時(shí)，首先要看的就是規(guī)格書/datasheet，拿到MOSFET的規(guī)格書/datasheet時(shí)，我們要怎么去理解那十幾頁到幾十頁的內(nèi)容呢？

注：1. 后續(xù)內(nèi)容中規(guī)格書/datasheet統(tǒng)一稱為datasheet；

      2. 本文中有關(guān)MOSFET datasheet的數(shù)據(jù)截圖來自英飛凌IPP60R190C6 datasheet。

1.關(guān)于VDS

Datasheet上電氣參數(shù)第一個(gè)就是V（BR）DSS，即DS擊穿電壓，也就是我們關(guān)心的MOSFET的耐壓。

此處V（BR）DSS的最小值是600V，是不是表示設(shè)計(jì)中只要MOSFET上電壓不超過600V MOSFET就能工作在安全狀態(tài)？

相信很多人的答案是“是”，曾經(jīng)我也是這么認(rèn)為的，但這個(gè)正確答案是“不是”。

這個(gè)參數(shù)是有條件的，這個(gè)最小值600V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃時(shí)，MOSFET上電壓不超過600V才算是工作在安全狀態(tài)。

MOSFET V（BR）DSS是正溫度系數(shù)的，其實(shí)datasheet上有一張V（BR）DSS與Tj的關(guān)系圖（Table 17），如下：

要是電源用在寒冷的地方，環(huán)境溫度低到-40℃甚至更低的話，MOSFET V（BR）DSS值<560V，這時(shí)候600V就已經(jīng)超過MOSFET耐壓了。

所以在MOSFET使用中，我們都會(huì)保留一定的VDS的電壓裕量，其中一點(diǎn)就是為了考慮到低溫時(shí)MOSFET V（BR）DSS值變小了，另外一點(diǎn)是為了應(yīng)對(duì)各種惡例條件下開關(guān)機(jī)的VDS電壓尖峰。

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），慢慢的都轉(zhuǎn)變成Rds（on）和電壓的命名方式（比如IPx60R190C6，190就是指Rds（on））。

其實(shí)從電流到Rds(on)這種命名方式的轉(zhuǎn)變就表明ID和Rds（on）是有著直接聯(lián)系的，那么它們之間有什么關(guān)系呢？

（1）封裝能夠承受的損耗和封裝的散熱性能（熱阻）之間的關(guān)系；

（2）MOSFET通過電流ID產(chǎn)生的損耗；

（1），（2）聯(lián)立，計(jì)算得到ID和Rds（on）的關(guān)系。

從MOSFET Rds（on）與Tj的圖表中可以看到：Tj增加Rds（on）增大，即Rds（on）是正溫度系數(shù)，MOSFET的這一特性使得MOSFET易于并聯(lián)使用。

3.關(guān)于Vgs

相信這個(gè)值大家都熟悉，但是Vgs（th）是負(fù)溫度系數(shù)有多少人知道，你知道嗎？下面兩圖分別來自BSC010NE2LS和IPP075N15N3 G datasheet。

相信會(huì)有很多人沒有注意到Vgs（th）的這一特性，這也是正常的，因?yàn)楦邏篗OSFET的datasheet中壓根就沒有這個(gè)圖，這一點(diǎn)可能是因?yàn)楦邏篗OSFET的Vgs（th）值一般都是2.5V以上，高溫時(shí)也就到2V左右。但對(duì)于低壓MOSFET就有點(diǎn)不一樣了，很多低壓MOSFET的Vgs（th）在常溫時(shí)就很低，比如BSC010NE2LS的Vgs（th）是1.2V~2V，高溫時(shí)最低都要接近0.8V了，這樣只要在Gate有一個(gè)很小的尖峰就可能誤觸發(fā)MOSFET開啟從而引起整個(gè)電源系統(tǒng)異常。

所以，低壓MOSFET使用時(shí)一定要留意Vgs（th）的這個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的特性。

4.關(guān)于Ciss，Coss，Qg

MOSFET帶寄生電容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs，Coss=Cgd+Cds，Crss=Cgd

Ciss，Coss，Crss的容值都是隨著VDS電壓改變而改變的，如下圖：

Qg

從此圖中能夠看出：

（1）Qg并不等于Qgs+Qgd；

（2）Vgs高，Qg大，而Qg大，驅(qū)動(dòng)損耗大。

在半橋LLC拓?fù)渲?，在死區(qū)時(shí)間時(shí)，我們需要將上下橋臂中的一個(gè)MOSFET Coss上的電容從0充電到Vin，同時(shí)將另外一個(gè)MOSFET Coss上的電容從Vin放電到0，此時(shí)等效電容Ceq等于上下橋臂MOSFET的Ciss之和，但由于上下橋臂MOSFET上VDS電壓的差別，Ceq的電容將會(huì)如下圖：

在LLC拓?fù)渲校瑴p小死區(qū)時(shí)間可以提高效率，但過小的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)ZVS。因此選擇在VDS在低壓時(shí)Coss較小的MOSFET可以讓LLC更加容易實(shí)現(xiàn)ZVS，死區(qū)時(shí)間也可以適當(dāng)減小，從而提升效率。

5.體二極管的幾個(gè)參數(shù)

VSD，二極管正向壓降 ==>這個(gè)參數(shù)不是關(guān)注的重點(diǎn)；

trr，二極管反向回復(fù)時(shí)間 ==>越小越好；

Qrr，反向恢復(fù)電荷 ==>Qrr大小關(guān)系到MOSFET的開關(guān)損耗，越小越好，trr越小此值也會(huì)小。

6.關(guān)于SOA

SOA曲線可以分為4個(gè)部分：

（1）Rds_on的限制，如下圖紅色線附近部分

此圖中：

當(dāng)VDS=1V時(shí)，Y軸對(duì)應(yīng)的ID為2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時(shí)，Rds（on）約為0.5R。

當(dāng)VDS=10V時(shí)，Y軸對(duì)應(yīng)的ID為20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃時(shí)，Rds（on）約為0.5R。

所以，此部分曲線中，SOA表現(xiàn)為Tj_max時(shí)RDS（on）的限制。

（2）最大脈沖電流限制，如下圖紅色線附近部分

此部分為MOSFET的最大脈沖電流限制，此最大電流對(duì)應(yīng)ID_pulse。

（3）VBR（DSS）擊穿電壓限制，如下圖紅色線附近部分

此部分為MOSFET VBR（DSS）的限制，最大電壓不能超過VBR（DSS）==>所以在雪崩時(shí)，SOA圖是沒有參考意義的。

（4） 器件所能夠承受的最大的損耗限制，如下圖紅色線附近部分。

上述曲線是怎么來的？這里以圖中紅線附近的那條線（10us）來分析。

上圖中，1處電壓、電流分別為：88V，59A，2處電壓、電流分別為：600V，8.5A。

MOSFET要工作在SOA，即要讓MOSFET的結(jié)溫不超過Tj_max（150℃），Tj_max=Tc+PD*ZthJC，ZthJC為瞬態(tài)熱阻。

SOA圖中，D=0，即為single pulse，紅線附近的那條線上時(shí)間是10us即10^-5s，從瞬態(tài)熱阻曲線上可以得到ZthJC=2.4*10^-2。

從以上得到的參數(shù)可以計(jì)算出：

1處的Tj約為：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃；

2處的Tj約為：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃。

MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃時(shí)的SOA，但實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)剛好就是在Tc=25或者80℃，這時(shí)候就得想辦法把25℃或者80℃時(shí)的SOA轉(zhuǎn)換成實(shí)際Tc時(shí)的曲線。怎樣轉(zhuǎn)換呢？

把25℃時(shí)的SOA轉(zhuǎn)換成100℃時(shí)的曲線：

（1）在25℃的SOA上任意取一點(diǎn)，讀出VDS，ID，時(shí)間等信息。

如上圖，1處電壓、電流分別為：88V，59A，tp=10us。

計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192（a）

PD=（Tj_max-Tc）/ZthJC-->此圖對(duì)應(yīng)為Tc=25℃（b）

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

（2）對(duì)于同樣的tp的SOA線上，瞬態(tài)熱阻ZthJC保持不變，Tc=100℃，ZthJC=0.024。

（3）上圖中1點(diǎn)電壓為88V，Tc=100℃時(shí)，PD=（Tj_max-100）/ZthJC=2083。

從而可以算出此時(shí)最大電流為I=PD/VDS=2083/88=23.67A。

（4）同樣的方法可以算出電壓為600V，Tc=100℃時(shí)的最大電流。

（5）把電壓電流的坐標(biāo)在圖上標(biāo)出來，可以得到10us的SOA線，同樣的方法可以得到其他tp對(duì)應(yīng)的SOA（當(dāng)然這里得到的SOA還需要結(jié)合Tc=100℃時(shí)的其他限制條件）。

這里的重點(diǎn)就是ZthJC，瞬態(tài)熱阻在同樣tp和D的條件下是一樣的，再結(jié)合功耗，得到不同電壓條件下的電流。

ZthJC/瞬態(tài)熱阻計(jì)算：

（1）當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時(shí)，怎么計(jì)算？

（2）當(dāng)tp<10us是，怎么計(jì)算？

[1]當(dāng)占空比D不在ZthJC曲線中時(shí)：其中，SthJC(t)是single pulse對(duì)應(yīng)的瞬態(tài)熱阻。

[2]當(dāng)tp<10us時(shí)：

7.關(guān)于雪崩

EAS：?jiǎn)未窝┍滥芰?，EAR：重復(fù)雪崩能量，IAR：重復(fù)雪崩電流。

雪崩時(shí)VDS，ID典型波形：

上圖展開后，如下：

MOSFET雪崩時(shí)，波形上一個(gè)顯著的特點(diǎn)是VDS電壓被鉗位，即上圖中VDS有一個(gè)明顯的平臺(tái)。

MOSFET雪崩的產(chǎn)生：

在MOSFET的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上是存在一個(gè)寄生三極管的，如上圖。在MOSFET的設(shè)計(jì)中也會(huì)采取各種措施去讓寄生三極管不起作用，如減小P+Body中的橫向電阻RB。

正常情況下，流過RB的電流很小，寄生三極管的VBE約等于0，三極管是處在關(guān)閉狀態(tài)。

雪崩發(fā)生時(shí)，如果流過RB的雪崩電流達(dá)到一定的大小，VBE大于三極管VBE的開啟電壓，寄生三極管開通，這樣將會(huì)引起MOSFET無法正常關(guān)斷，從而損壞MOSFET。

因此，MOSFET的雪崩能力主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）最大雪崩電流==>IAR；

（2）MOSFET的最大結(jié)溫Tj_max==>EAS、EAR 雪崩能量引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升。

單次雪崩能量計(jì)算：

上圖是典型的單次雪崩VDS,ID波形，對(duì)應(yīng)的單次雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS, L為提供雪崩能量的電感

雪崩能量的典型測(cè)試電路如下：

計(jì)算出來EAS后，對(duì)比datasheet上的EAS值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的(當(dāng)然前提是雪崩電流

同時(shí)，還得注意，EAS隨結(jié)溫的增加是減小的。

重復(fù)雪崩的計(jì)算：

上圖為典型的重復(fù)雪崩波形，對(duì)應(yīng)的重復(fù)雪崩能量為：

其中，VBR=1.3BVDSS。
計(jì)算出來EAR后，對(duì)比datasheet上的EAR值，若在datasheet的范圍內(nèi)，則可認(rèn)為是安全的（此處默認(rèn)重復(fù)雪崩電流同時(shí)也得考慮結(jié)溫的影響）。

8.針對(duì)不同的拓?fù)?，?duì)MOSFET的參數(shù)有什么不同的要求呢？怎么選擇適合的MOSFET？

（1）反激

反激由于變壓器漏感的存在，MOSFET會(huì)存在一定的尖峰，因此反激選擇MOSFET時(shí)，我們要注意耐壓值。通常對(duì)于全電壓的輸入，MOSFET耐壓（BVDSS）得選600V以上，一般會(huì)選擇650V。

若是QR反激，為了提高效率，我們會(huì)讓MOSFET開通時(shí)的谷底電壓盡量低，這時(shí)需要取稍大一些的反射電壓，這樣MOSFET的耐壓值得選更高，通常會(huì)選擇800V MOSFET。

（2）PFC、雙管正激等硬開關(guān)

a）對(duì)于PFC、雙管正激等常見硬開關(guān)拓?fù)?，MOSFET沒有像反激那么高的VDS尖峰，通常MOSFET耐壓可以選500V，600V。

b）硬開關(guān)拓?fù)銶OSFET存在較大的開關(guān)損耗，為了降低開關(guān)損耗，我們可以選擇開關(guān)更快的MOSFET。而Qg的大小直接影響到MOSFET的開關(guān)速度，選擇較小Qg的MOSFET有利于減小硬開關(guān)拓?fù)涞拈_關(guān)損耗。

（3）LLC諧振、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)?

LLC、移相全橋等軟開關(guān)拓?fù)涞能涢_關(guān)是通過諧振，在MOSFET開通前讓MOSFET的體二極管提前開通實(shí)現(xiàn)的。由于二極管的提前導(dǎo)通，在MOSFET開通時(shí)二極管的電流存在一個(gè)反向恢復(fù)，若反向恢復(fù)的時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致上下管出現(xiàn)直通，損壞MOSFET。因此在這一類拓?fù)渲校覀冃枰x擇trr，Qrr小，也就是選擇帶有快恢復(fù)特性的體二極管的MOSFET。

（4）防反接，Oring MOSFET

這類用法的作用是將MOSFET作為開關(guān)，正常工作時(shí)管子一直導(dǎo)通，工作中不會(huì)出現(xiàn)較高的頻率開關(guān)，因此管子基本上無開關(guān)損耗，損耗主要是導(dǎo)通損耗。選擇這類MOS時(shí)，我們應(yīng)該主要考慮Rds（on），而不去關(guān)心其他參數(shù)。