怎么选择功率mos管器件？全面分析功率mos管参数，几分钟搞定选型

    假设你正在设计电机控制电路、继电器驱动电路、反极性保护电路或者运算放大的输出缓冲器，你可能会想到功率 mos 管，那到底怎么选择到一个合适的功率 mos 管？选择一个合适的功率 mos 管需要注意哪些参数？

    众所周知，大家在选型的时候，是一定要去 datasheet 上去看各种参数的，这篇文章就给大家分析一下功率 mos 管的关键参数。

一、功率 mos 管是什么？

    功率 mos 管是一种专门用于处理高功率的 mos 管，在低电压电平的情况下，功率 mos管表现出高开关速度，并且与其他普通 mos 管相比可以更好地工作。下图为功率 mos 管器件图。

功率 mos 管器件图

二、功率 mos 管的工作原理

    功率 mos 管的工作原理与其他通用的 mos 管相类似，最广泛使用的 mos 管的本质是 n沟道增强型或者 P 沟道增强模式或n沟道耗尽模式。

    下图显示了由n衬底制成的 n 型 mos 管。

功率 mos 管结构图

    当栅极电压为正时，沟道在 P 型区域中形成。最重要的是，源极端子位于漏极端子上方，形成垂直结构。

    因此在功率 mos 管中，电源在源极和漏极端子之间的栅极区域下方垂直流过多个并联的n+源极，因此功率mos管在导通状态 RDS(ON) 提供的电阻远低于普通 mos 管的电阻，这使得它们能够处理高电流。

    随着电流增加越 6%（如下图左侧图显示），功率 mos 管的电阻会增加一倍，另一方面，RDS(ON) 受结温 T 的影响很大（如下图右侧图所示）并且被认为是正向的。

RDS(ON) 受结温 T影响图

    尽管普通 mos 管和功率 mos 管的结构看起来不同，但其实工作的基本原理并没有什么太大的区别，也就是说，在这两个器件中，导电沟的形成是相同的，只不过是在栅极端施加了合适的偏压，从而导致了反型层。

    普通 mos 管和功率 mos 管表现出的传输特性和输出特性的性质几乎彼此相同，如下图所示。

功率 mos 管传输特性和输出特性图

    不过需要注意的是，在基于垂直结构的功率 mos 管的情况下，外延层的掺杂和厚度决定了额定电压，而沟道宽度决定了其额定电流。

    这就是功率 mos 管能够承受高阻断电压和高电流的原因，使其适用于低功率开关应用。

    然而，即使是基于横向结构的 mos 管也存在，与基于垂直结构的设计相比表现更好，尤其是在饱和工作区域，使其能够用于高端音频放大器。

三、功率 mos 管参数

1、绝对最大额定值

    绝对最大额定值被定义为不应超过的允许限制，即使是一瞬间也不行。如果超过这些值中的一个或多个，功率 mos 管将损坏。因此，需要设计使用功率mos管的电子设备，以使超过该值的应力即使在瞬间也不会施加到功率 mos 管上。

    绝对最大额定值不保证可靠性。即使在绝对最大额定值内，如果超过，功率 mos 管的耐用性也会降低，因此，功率mos管可能无法承受长期使用。

    功率 mos 管数据表中列出的绝对最大额定值的典型特性如下所示，列出的绝对最大额定值参数取决于功率 mos 管类型。

绝对最大额定值的典型特性图

2、电气特性

    电气特性通过指定温度、电压和电流等条件来显示产品的性能。以下是数据表中描述的电气特性的典型参数，列出的电气特性参数取决于功率 mos 管的类型。

电气特性的典型参数图

3、漏源击穿电压，V(BR)DSS

    V (BR)DSS 是漏极和源极之间的击穿电压。电气特性以最小值规定，并为电路操作的安全性对实际值施加了余量。

    然而，V (BR)DSS 和漏源导通电阻 RDS(ON) 之间存在折衷关系，因此，增加 V(BR)DSS 的余量也会增加 RDS(ON)，因此，V (BR)DSS 的余量一般设计得越小越好。

    V (BR)DSS 具有正温度系数，温度越高，V(BR)DSS 越高。该电路的设计应考虑到 V(BR)DSS 在低温下变低。

漏源击穿电压，V(BR)DSS温度特性图

4、栅极阈值电压，VGS(TH)

    VGS(TH) 是功率 mos 管 开启且漏极电流 ID 开始流动时栅极和源极之间的电压。

    VGS(TH) 具有负温度系数，温度越高，VGS(TH) 越低。电路运行期间温度变高，功率 mos 管 在低电压下导通。

    因此，在设计电路时必须考虑因温度特性引起的 VGS(TH) 变化，以避免因噪声引起的误动作。

栅极阈值电压，VGS(TH)温度特性图

    VGS 是栅极和源极之间的施加电压。为了控制漏极电流 ID 和 VGS，必须要仔细看 datasheet 中描述的 ID – VGS 特性并设置 VGS 以使所需的 ID 能够流动。

ID – VGS 特性图

5、漏源导通电阻，RDS(ON)

    RDS(ON) 是当漏极电流 ID 流动时漏极和源极之间的电阻。RDS(ON )越大，功率损耗越大，因此，具有小 RDS(ON) 的功率 mos 管是理想的。

    RDS(ON) 具有正温度系数，温度越高，RDS(ON) 越高。在高温下使用时，请考虑因温度特性引起的 RDS(ON) 的变化。

    当功率 mos 管并联时，如果每个 RDS(ON) 有变化，则大量电流流过 RDS(ON) 小的功率 mos 管。然而，流动电流减少，因为 RDS(ON) 因温度升高而增加。

    流过每个功率 mos管 的电流是平衡的，而流过的电流不会集中在一个功率mos管上，这称为功率mos管的自稳定功能。

漏源导通电阻，RDS(ON)温度特性图

6、RDS(ON) 电阻

    下图显示了平面功率 mos管（N 沟道）的 RDS(ON) 电阻。

平面功率 mos管（N 沟道）的 RDS(ON) 电阻图

    RDS(ON) 电阻通过以下公式计算。

RDS(ON)= RSUB+ RDRIFT + RJ-FET+ RCH + RN+

    其中：

    RSUB 为衬底电阻，

    RDRIFT 为漂移电阻，

    RJ-FET 为 J-FET 电阻，

    RCH 为沟道电阻，

    RN+ 为 N+ 层电阻。击穿电压与 RDS(ON)

    之间存在折衷关系，因此，增加击穿电压也会增加 RDS(ON) ，为了提高功率 mos 管的击穿电压，需要加厚上图所示的N-层。

    因此，高击穿电压功率 mos 管的 RDS(ON) 取决于漂移电阻 RDRIFT。相反，低击穿电压功率 mos 管的 RDS(ON) 更多地取决于沟道电阻 RCH ，而不是 RDRIFT 。

7、电容特性 (Ciss , Coss , Crss )

    如下图所示，由于功率 mos 管的结构，会产生寄生电容（CGS、CGD、CDS）。这些寄生电容会影响开关特性。

电容特性 (Ciss , Coss , Crss )图

8、输入电容，Ciss

    输入电容 Ciss 影响延迟时间。当 Ciss 大时，延迟时间长，因为在功率 mos 管导通/关断时必须对大量电荷进行充电/放电。Ciss 越大，功率损耗越大。因此，Ciss 小的功率 mos 管是理想的。

    C iss通过下式计算。

C iss = C GS+ C GD

    输出电容 Coss影响关断特性。

9、输出电容，Coss

    当 Coss 较大时，漏源电压 VDS 的电压变化率 dv/dt 在功率 mos 管关断时降低，从而降低了噪声的影响，但增加了导通关闭下降时间t f。

    Coss通过下式计算。

C oss = C DS + C GD

    反向传输电容，Crss 也称为镜像电容。

10、反向传输电容，Crss

    Crss 影响高频特性。Crss 越大，越出现以下特征:

• 导通时漏源电压 VDS 的下降时间较长（导通上升时间 t r较长）

• 关断时漏源电压 VDS 的上升时间较长（关断下降时间 t f较长）

• 功率损耗大

    反向传输电容 Crss 通过以下公式计算：

C rss = C GD

    总栅极电荷 QG、栅极到源极电荷 QGS 和栅极到漏极电荷 QGD 是驱动功率 mos管所需的电荷。

11、充电特性 (QG , QGS , QGD )

充电特性图

    这些影响开关特性。该值越小，功率损耗越小，实现快速切换。

    开关特性 (td(ON) , tr , td(OFF) , tf )

    下图显示了切换时间的定义。

充电特性图

    开启延迟时间，td(ON)：从 VGS 设定值的 10%到 VDS 设定值的 90% 的时间

    开启上升时间，tr：从 VDS 设定值的 90% 到 10% 的时间

    开启时间，tON：t (ON) 和 tr 的总时间。

    关断时间，td(OFF)：从 VGS 设定值的 90%到 VDS 设定值的 10% 的时间

    关断下降时间，tf：从 VDS 设定值的 10% 到 90% 的时间

    关断时间，tOFF：td(OFF )和 tf 的总时间。

12、体二极管

    下图中可以看到体二极管，源极金属化连接到 N+ 和 P 注入。

    尽管 功率 mos 管的基本原理只要求源极连接到 N+ 区，因此，这将导致 N 掺杂源极和漏极之间的浮动 P 区。

    功率 mos 管相当于一个基极不相连的NPN晶体管。在某些条件下，例如高漏极电流，在相同伏特的导通状态漏极到源极电压的情况下，应该触发 NPN 的寄生晶体管并使功率 mos 管不可控。

功率 mos 管体二极管图

    由于功率 mos 管的结构，在源极和漏极之间会产生一个体二极管。下图显示了体二极管的 IS – VSD特性。

    VSD具有负温度特性，因此温度越高，V D越低。

IS – VSD特性图

    下图显示了体二极管的反向恢复特性。峰值恢复电流定义为 IRM。反向恢复时间t rr和反向恢复电荷Qrr越小，功率损耗越小。

体二极管反向恢复特性图

13、热特性

    以下是数据表中描述的热特性的典型参数。列出的热特性参数取决于功率 mos 管的类型。

热特性

    以上就是关于功率mos管参数的一些分析。