中心議題：
- 功率MOSFET的連續(xù)漏極電流
- 功率MOSFET的脈沖漏極電流
- 功率MOSFET的雪崩電流
通常，在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中的第一頁(yè)，列出了連續(xù)漏極電流ID，脈沖漏極電流IDM，雪崩電流IAV的額定值，然而對(duì)于許多電子工程師來(lái)說(shuō)，他們對(duì)于這些電流值的定義以及在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)以及如何選取這些電流值，常常感到困惑不解，本文將系統(tǒng)的闡述這些問(wèn)題，并說(shuō)明在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中如何考慮這些因素，最后給出選取它們的原則。
功率MOSFET的連續(xù)漏極電流
連續(xù)漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為ID。對(duì)于功率MOSFET來(lái)說(shuō)，通常連續(xù)漏極電流ID是一個(gè)計(jì)算值。當(dāng)器件的封裝和芯片的大小一定時(shí)，如對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝DPAK，TO220，D2PAK，DFN5*6等，那么器件的結(jié)到裸露銅皮的熱阻RθJC是一個(gè)確定值，根據(jù)硅片允許的最大工作結(jié)溫TJ和裸露銅皮的溫度TC，為常溫25℃，就可以得到器件允許的最大的功耗PD：
當(dāng)功率MOSFET流過(guò)最大的連續(xù)漏極電流時(shí)，產(chǎn)生最大功耗為PD：
因此，二式聯(lián)立，可以得到最大的連續(xù)漏極電流ID的計(jì)算公式：
其中，RDS(ON)_TJ(max) 為在最大工作結(jié)溫TJ下，功率MOSFET的導(dǎo)通電阻；通常，硅片允許的最大工作結(jié)溫為150℃。需要說(shuō)明的是：上述的電流是基于最大結(jié)溫的計(jì)算值；事實(shí)上，它還要受到封裝的限制。在數(shù)據(jù)表中，許多公司表示的是基于封裝限制最大的連續(xù)漏極電流，而有些公司表示的是基于最大結(jié)溫的電流，那么它通常會(huì)在數(shù)據(jù)表注釋中進(jìn)行說(shuō)明，并示出基于封裝限制的最大的連續(xù)漏極電流。
在公式（1）中，需要測(cè)量器件的熱阻RθJC，對(duì)于數(shù)據(jù)表中的熱阻都是在一定的條件下測(cè)試的，通常是將器件安裝在一個(gè)1平方英寸2oz的銅皮的PCB上，對(duì)于底部有裸露銅皮的封裝，等效熱阻模型如圖1所示。如果沒(méi)有裸露銅皮的封裝，如SOT23，SO8等，圖1中的RθJC通常要改變?yōu)镽θJL，RθJL就是結(jié)到管腳的熱阻，這個(gè)管腳是芯片內(nèi)部與襯底相連的那個(gè)管腳。
圖1 等效熱阻模型
功率MOSFET有一個(gè)反并聯(lián)的寄生二極管，二極管相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定的溫度對(duì)應(yīng)著一定的二極管的壓降，通常，二極管的壓降和溫度曲線(xiàn)需要進(jìn)行校準(zhǔn)。
測(cè)試時(shí)，功率MOSFET的反并聯(lián)的寄生二極管中通過(guò)一定的電流，當(dāng)器件進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)量二極管的壓降、器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，以及環(huán)境溫度。
通過(guò)二極管的壓降和通過(guò)的電流，可以計(jì)算功耗；通過(guò)二極管的壓降可以查到結(jié)溫，根據(jù)功耗、結(jié)溫和器件裸露銅皮或與芯片內(nèi)部襯底相連的管腳的溫度，可以計(jì)算得到RθJC或RθJL。根據(jù)功耗、結(jié)溫和環(huán)境溫度，還可以計(jì)算得到RθJA。
特別強(qiáng)調(diào)的是，RθJC不是結(jié)到器件的塑料外殼溫度。RθJA是器件裝在一定尺寸的PCB板測(cè)量的值，不是只靠器件本身單獨(dú)散熱時(shí)的測(cè)試值。實(shí)際的應(yīng)用中，通常RθJT+RθJA>>RθJC+RθCA，器件結(jié)到環(huán)境的熱阻通常近似為：RθJA≈RθJC+RθCA
熱阻RθJC確定了，就可以用公式（1）計(jì)算功率MOSFET的電流值連續(xù)漏極電流ID，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，相應(yīng)的ID的值也會(huì)降低。
裸露銅皮的封裝，使用RθJC或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫，通?？梢栽龃笊崞?，提高器件通過(guò)電流的能力。底部沒(méi)有裸露銅皮的封裝，使用RθJL或RθJA來(lái)校核功率MOSFET的結(jié)溫，其散熱的能力主要受限于晶片到PCB的熱阻。數(shù)據(jù)表中ID只考慮導(dǎo)通損耗，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要計(jì)算功率MOSFET的最大功耗包括導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗、寄生二極管的損耗等，然后再根據(jù)功耗和熱阻來(lái)校核結(jié)溫，保證其結(jié)溫小于最大的允許值，最好有一定的裕量。
上述計(jì)算過(guò)程中，ID是基于硅片的最大允許結(jié)溫來(lái)計(jì)算的，實(shí)際的ID還要受到封裝的影響，特別是底部具有裸露銅皮的封裝。
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封裝限制通常是指連接線(xiàn)的電流處理能力。對(duì)于額定的連接線(xiàn)的電流限制，常用的方法是基于連接線(xiàn)的熔化溫度。當(dāng)連接線(xiàn)的溫度大于220℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致外殼塑料的熔化分解。在許多情況下，硅電阻高于線(xiàn)的電阻的10倍以上，大部分的熱產(chǎn)生于硅的表面，最熱的點(diǎn)在硅片上，而且結(jié)溫通常要低于220℃,因此不會(huì)存在連接線(xiàn)的熔化問(wèn)題。連接線(xiàn)的熔化只有在器件損壞的時(shí)候才會(huì)發(fā)生。
有裸露銅皮器件在封裝過(guò)程中硅片通過(guò)焊料焊在框架上，焊料中的空氣以及硅片與框架焊接的平整度會(huì)使局部的連接電阻分布不均勻，通過(guò)連接線(xiàn)連接硅片的管腳，在連接線(xiàn)和硅片結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生較高的連接電阻，因此實(shí)際的連續(xù)漏極電流ID會(huì)小于數(shù)基于結(jié)溫計(jì)算的電流?；诜庋b限制的電流是測(cè)試的實(shí)際工作的最大電流，因此，在數(shù)據(jù)表中，寄生二極管的電流通常也用這個(gè)值表示。
功率MOSFET的脈沖漏極電流
脈沖漏極電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IDM，對(duì)于這個(gè)電流值，許多工程師不明白它是如何定義的。
通常，功率MOSFET也可以工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)。如果功率MOSFET穩(wěn)態(tài)工作在可變電阻區(qū)，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的VGS的放大恒流狀態(tài)的漏極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大電流，因此在導(dǎo)通過(guò)程中，功率MOSFET要經(jīng)過(guò)Miller平臺(tái)區(qū)，此時(shí)Miller平臺(tái)區(qū)的VGS的電壓對(duì)應(yīng)著系統(tǒng)的最大電流。然后Miller電容的電荷全部清除后，VGS的電壓才慢慢增加，進(jìn)入到可變電阻區(qū)，最后，VGS穩(wěn)定在最大的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，Miller平臺(tái)區(qū)的電壓和系統(tǒng)最大電流的關(guān)系必須滿(mǎn)足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。
也就是，對(duì)于某一個(gè)值的VGS1，在轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的電流為IDM1，器件不可能流過(guò)大于IDM1的電流，轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性限制著功率MOSFET的最大電流值。
這也表明，數(shù)據(jù)表中功率MOSFET脈沖漏極電流額定值IDM對(duì)應(yīng)著器件允許的最大的VGS，在此條件下，器件工作在飽和區(qū)，即放大區(qū)恒流狀態(tài)時(shí)，器件能夠通過(guò)的最大漏極電流，同樣，最大的VGS和IDM也要滿(mǎn)足功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性。
另外，最大的脈沖漏極電流IDM還要滿(mǎn)足最大結(jié)溫的限制，IDM工作在連續(xù)的狀態(tài)下，功率MOSFET的結(jié)溫可能會(huì)超出范圍。在脈沖的狀態(tài)下，瞬態(tài)的熱阻小于穩(wěn)態(tài)熱阻，可以滿(mǎn)足最大結(jié)溫的限制。
因此IDM要滿(mǎn)足兩個(gè)條件：(1) 在一定的脈沖寬度下，基于功率MOSFET的轉(zhuǎn)移工作特性或輸出特性的真正的單脈沖最大電流測(cè)量值；(2)在一定的脈沖寬度下，基于瞬態(tài)的熱阻和最大結(jié)溫的計(jì)算值。數(shù)據(jù)表通常取二者中較小的一個(gè)。功率MOSFET的數(shù)據(jù)表后面通常列出了瞬態(tài)的熱阻的等效圖。
因?yàn)閂GS限定的漏極的電流，單純的考慮IDM對(duì)于實(shí)際應(yīng)用沒(méi)有太多的參考價(jià)值，因?yàn)閷?shí)際的應(yīng)用中，柵極的驅(qū)動(dòng)電壓通常小于最大的額定電壓。同樣的，在實(shí)際的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下，單純的考慮電流也沒(méi)有意義，而是考慮最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。
IDM和實(shí)際的應(yīng)用最相關(guān)的狀態(tài)就是系統(tǒng)發(fā)生短路，因此，在系統(tǒng)控制器的柵驅(qū)動(dòng)電壓下，測(cè)試短路時(shí)最大漏極電流的持續(xù)時(shí)間。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中，使系統(tǒng)短路保護(hù)時(shí)間小于1/3～1/2的上述的持續(xù)時(shí)間，這樣才能使系統(tǒng)可靠。
事實(shí)上，對(duì)于大電流，在導(dǎo)通狀態(tài)下或關(guān)斷的過(guò)程，由于芯片內(nèi)部的不平衡或其他一些至今還沒(méi)有理論可以解釋的原因，即使芯片沒(méi)有超過(guò)結(jié)溫，也會(huì)產(chǎn)生損壞。
因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，要盡量的使短路保護(hù)的時(shí)間短，以減小系統(tǒng)短路最大沖擊電流的沖擊。具體方法就是減小短路保護(hù)回路的延時(shí)，中斷響應(yīng)的時(shí)間等。
在不同的柵級(jí)電壓下測(cè)量短路電流，測(cè)試波形如圖2所示，采用的功率MOSFET為AOT266。圖2(a)：VGS電壓為13V，短路電流達(dá)1000A，MOSFET在經(jīng)過(guò)47μs后電流失控而損壞；圖2(b)：VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經(jīng)過(guò)68μs后電流失控而損壞。電流測(cè)試使用了20:1的電流互感器，因此電流為200A/格。
圖2 AOT266短路測(cè)試波形
可以的看到，VGS =13V，最大電流為1000A，持續(xù)的時(shí)間為47μs；VGS =8V，最大電流為500A，持續(xù)的時(shí)間為68μs。
功率MOSFET的雪崩電流
雪崩電流在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中表示為IAV，雪崩能量代表功率MOSFET抗過(guò)壓沖擊的能力。在測(cè)試過(guò)程中，選取一定的電感值，然后將電流增大，也就是功率MOSFET開(kāi)通的時(shí)間增加，然后關(guān)斷，直到功率MOSFET損壞，對(duì)應(yīng)的最大電流值就是最大的雪崩電流。
在數(shù)據(jù)表中，標(biāo)稱(chēng)的IAV通常要將前面的測(cè)試值做70%或80%降額處理，因此它是一個(gè)可以保證的參數(shù)。一些功率MOSFET供應(yīng)商會(huì)對(duì)這個(gè)參數(shù)在生產(chǎn)線(xiàn)上做100%全部檢測(cè)，因?yàn)橛薪殿~，因此不會(huì)損壞器件。
注意：測(cè)量雪崩能量時(shí)，功率MOSFET工作在UIS非鉗位開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，因此功率MOSFET不是工作在放大區(qū)，而是工作在可變電阻區(qū)和截止區(qū)。因此最大的雪崩電流IAV通常小于最大的連續(xù)的漏極電流值ID。
采用的電感值越大，雪崩電流值越小，但雪崩能量越大，生產(chǎn)線(xiàn)上需要測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)，生產(chǎn)率越低。電感值太小，雪崩能量越小。目前低壓的功率MOSFET通常取0.1mH，此時(shí)，雪崩電流相對(duì)于最大的連續(xù)的漏極電流值ID有明顯的改變，而且測(cè)試時(shí)間比較合適范圍。
