MOS管参数详解

时间:2024-05-21 10:32:51

在这之前,首先了解下三极管和MOS管的区别:

三极管是电流控制型的器件,通过基极电流去控制集电极电流,实现电流、电压信号放大或者驱动负载工作场效应管是电压控制器件,需要通过栅极(G)电压来控制场效应的导通,实现场效应的导通和关断。

三极管由两个PN结组成,可以排列成NPN或者PNP的结构。有基极(B)、集电极(C)和发射极(E)三个引脚。

NPN三极管:由基极(B)流进的控制电流Ib,控制由集电极(C)流进的电流Ic;   
PNP三极管:由基极(B)流出的控制电流Ib,控制由集电极(C)流出的电流Ic;   
三极管可以用于设计电压、电流信号放大电路,Ic=β*Ib,β为三极管的放大倍数。

三极管也可以用于设计负载驱动电路,实现开关控制,比如控制蜂鸣器、LED、直流电机、继电器等等。三极管导通后,集电极(C)和发射极(E)之间会有一定的压降(0.2V~0.7V),当负载工作电流较大时,三极管发热比较严重,所以三极管不适合驱动功率较大的负载。

场效应管也是由P型和N型半导体组成。它也有三个引脚,分别是栅极(G)、漏极(D)、源极(S);

N沟道场效应管:漏极(D)、源极(S)都是连接在N型半导体上,而栅极(G)连接的金属通过氧化物再与P型半导体衬底连接。当Vgs》0时场效应管开始导通,电流可以从漏极(D)源极(S),也可以从源极(S)漏极(D),当然Vgs要达到一定的开启电压才可以稳定的导通。

P沟道场效应管:漏极(D)、源极(S)都是连接在P型半导体上,而栅极(G)连接的金属通过氧化物再与N型半导体衬底连接。当Vgs场效应管导通后内阻很小,一般只有几毫欧到几十毫欧,可以用于驱动功率较大的直流负载。三极管无法驱动的直流负载,都可以用场效应管来驱动。

场效应管也可以用于设计电流、电压信号放大电路。效应管是电压驱动型的器件,如果单片机的驱动电压达不到门极开启电压的要求,可以加入三极管驱动,利用三极管集电极的电压来控制效应管。

最大额定参数(所有数值取得条件(Ta=25℃))
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VDSS 最大漏-源电压
在栅源短接,漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同,实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。关于V(BR)DSS的详细描述请参见静电学特性。

VGS 最大栅源电压
VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压,但是会随制造工艺的不同而改变,因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性。

ID - 连续漏电流
ID定义为芯片在最大额定结温TJ(max)下,管表面温度在25℃或者更高温度下,可允许的最大连续直流电流。该参数为结与管壳之间额定热阻RθJC和管壳温度的函数:
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ID中并不包含开关损耗,并且实际使用时保持管表面温度在25℃(Tcase)也很难。因此,硬开关应用中实际开关电流通常小于ID 额定值@ TC = 25℃的一半,通常在1/3~1/4。补充,如果采用热阻JA的话可以估算出特定温度下的ID,这个值更有现实意义。

IDM - 脉冲漏极电流
该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低,脉冲电流要远高于连续的直流电流。定义IDM的目的在于:线的欧姆区。对于一定的栅-源电压,MOSFET导通后,存在最大的漏极电流。如图所示,对于给定的一个栅-源电压,如果工作点位于线性区域内,漏极电流的增大会提高漏-源电压,由此增大导通损耗。长时间工作在大功率之下,将导致器件失效。因此,在典型栅极驱动电压下,需要将额定IDM设定在区域之下。区域的分界点在Vgs和曲线相交点。
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因此需要设定电流密度上限,防止芯片温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过高电流流经封装引线,因为在某些情况下,整个芯片上最“薄弱的连接”不是芯片,而是封装引线。

考虑到热效应对于IDM的限制,温度的升高依赖于脉冲宽度,脉冲间的时间间隔,散热状况,RDS(on)以及脉冲电流的波形和幅度。单纯满足脉冲电流不超出IDM上限并不能保证结温不超过最大允许值。可以参考热性能与机械性能中关于瞬时热阻的讨论,来估计脉冲电流下结温的情况。

PD - 容许沟道总功耗
容许沟道总功耗标定了器件可以消散的最大功耗,可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数。

TJ, TSTG - 工作温度和存储环境温度的范围
这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间。设定这样的温度范围是为了满足器件最短工作寿命的要求。如果确保器件工作在这个温度区间内,将极大地延长其工作寿命。

EAS - 单脉冲雪崩击穿能量

如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压,则器件不会发生雪崩击穿,因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值,其依赖于雪崩击穿需要消散的能量。

定义额定雪崩击穿能量的器件通常也会定义额定EAS。额定雪崩击穿能量与额定UIS具有相似的意义。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。

L是电感值,iD为电感上流过的电流峰值,其会突然转换为测量器件的漏极电流。电感上产生的电压超过MOSFET击穿电压后,将导致雪崩击穿。雪崩击穿发生时,即使 MOSFET处于关断状态,电感上的电流同样会流过MOSFET器件。电感上所储存的能量与杂散电感上存储,由MOSFET消散的能量类似。

MOSFET并联后,不同器件之间的击穿电压很难完全相同。通常情况是:某个器件率先发生雪崩击穿,随后所有的雪崩击穿电流(能量)都从该器件流过。

EAR - 重复雪崩能量
重复雪崩能量已经成为“工业标准”,但是在没有设定频率,其它损耗以及冷却量的情况下,该参数没有任何意义。散热(冷却)状况经常制约着重复雪崩能量。对于雪崩击穿所产生的能量高低也很难预测。

额定EAR的真实意义在于标定了器件所能承受的反复雪崩击穿能量。该定义的前提条件是:不对频率做任何限制,从而器件不会过热,这对于任何可能发生雪崩击穿的器件都是现实的。在验证器件设计的过程中,最好可以测量处于工作状态的器件或者热沉的温度,来观察MOSFET器件是否存在过热情况,特别是对于可能发生雪崩击穿的器件。

IAR - 雪崩击穿电流
对于某些器件,雪崩击穿过程中芯片上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样,雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”;其揭示了器件真正的能力。

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静态电特性
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V(BR)DSS:漏-源击穿电压(破坏电压)

V(BR)DSS(有时候叫做VBDSS)是指在特定的温度和栅源短接情况下,流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压。
V(BR)DSS是正温度系数,温度低时V(BR)DSS小于25℃时的漏源电压的最大额定值。在-50℃, V(BR)DSS大约是25℃时最大漏源额定电压的90%。

说明:MOS管漏极和源极最大耐压值。
测试条件:在Vgs=0V,栅极和源极不给电压。
影响:超过的话会让MOSFET损坏。
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VGS(th),VGS(off):阈值电压
VGS(th)是指加的栅源电压能使漏极开始有电流,或关断MOSFET时电流消失时的电压,测试的条件(漏极电流,漏源电压,结温)也是有规格的。正常情况下,所有的MOS栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此,VGS(th)的变化范围是规定好的。VGS(th)是负温度系数,当温度上升时,MOSFET将会在比较低的栅源电压下开启。

说明:开启电压
测试条件:在Vgs=Vds,在漏极和源极两端电流控制在250uA。
影响:低于参考值可能出现不导通现象,设计时需要考虑范围值。
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RDS(on):导通电阻
RDS(on)是指在特定的漏电流(通常为ID电流的一半)、栅源电压和25℃的情况下测得的漏-源电阻。

说明:导通时,Vds的内阻
测试条件:在Vgs=10V,通过12A的电流;Vgs=4.5V,通过6A的电流,在漏极和源极两端的内阻。
影响:内阻越小,MOS过的电流越大,相同电流下,功耗越小。
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跨导:跨导的单位是A/V。是源极电流Id比上栅极电压Vgs,是栅极电压对源极电流的控制作用大小,
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线性压控电流源的性质可表示为方程 I=gV ,其中g是常数系数。系数g称作跨导(或转移电导),具有与电导相同的单位。 这个电路单元通常指放大器。
在MOS管中,跨导的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。在转移特性曲线上,跨导为曲线的斜率。
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IDSS:零栅压漏极电流
IDSS是指在当栅源电压为零时,在特定的漏源电压下的漏源之间泄漏电流。既然泄漏电流随着温度的增加而增大,IDSS在室温和高温下都有规定。漏电流造成的功耗可以用IDSS乘以漏源之间的电压计算,通常这部分功耗可以忽略不计。

说明:ID的漏电流。
测试条件:在Vgs=0V,在漏极和源极两端给48V的电压。
影响:漏电流越大功耗越大。
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IDon:通态漏极电流
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说明:完全开启,漏极和源极两端最大过电流30A,
测试条件:在Vgs=Vds,在漏极和源极两端电流控制在250uA。
影响:低于参考值可能出现不导通现象,设计时需要考虑范围值。
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IGSS - 栅源漏电流
IGSS是指在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流。

说明:栅极漏电流
测试条件:在Vgs=±20V,在漏极和源极两端不给电压。
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VSD:MOS管体二极管的正向导通压降
测试条件:在VGS=0V,体二极管正向通过1A的电流。
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Is:体二极管可承受最大连续续电流
影响:如果偏小,在设计降额不充裕的系统中或在测试OCP,OLP(逐周期电流限制保护(OCP),限制最大输出电流;过载保护(OLP),限制最大输出功率;的过程中会引起电流击穿的风险
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动态电特性
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Ciss:输入电容
将漏源短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成,或者Ciss = Cgs +Cgd。当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启,放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。

Coss:输出电容
将栅源短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成,或者Coss = Cds +Cgd对于软开关的应用,Coss非常重要,因为它可能引起电路的谐振

Crss:反向传输电容
在源极接地的情况下,测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres =Cgd,反向传输电容也常叫做米勒电容,对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数,他还影响这关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小,尤其是输出电容和反向传输电容。

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Ciss=Cgs+Cgd 输入电容 ; Coss=Cds+Cgd 输出电容 ; Crss=Cgd(米勒电容)
影响:Ciss:影响到MOS管的开关时间,Ciss越大,同样驱动能力下,开通和关断时间就越慢,开关损坏也就越大。较慢的开关速度对应会带来较好的EMI
Coss和Crss:这两项参数对MOSFET关断时间略有影响,其中Cgd会影响到漏极有异常高电压时,传输到MOSFET栅极电压能力的大小,对雷击测试项目有一点的影响。
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Qgs,Qgd,和Qg:栅电荷

栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷,既然开关的瞬间,电容上的电荷随电压的变化而变化,所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

Qgs从0电荷开始到第一个拐点处,Qgd是从第一个拐点到第二个拐点之间部分(也叫做“米勒”电荷),Qg是从0点到VGS等于一个特定的驱动电压的部分。

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漏电流和漏源电压的变化对栅电荷值影响比较小,而且栅电荷不随温度的变化。测试条件是规定好的。栅电荷的曲线图体现在数据表中,包括固定漏电流和变化漏源电压情况下所对应的栅电荷变化曲线。在图中平台电压VGS(pl)随着电流的增大增加的比较小(随着电流的降低也会降低)。平台电压也正比于阈值电压,所以不同的阈值电压将会产生不同的平台电压。

下面这个图更加详细,应用一下:
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MOS管参数详解
td(on):导通延时时间
导通延时时间是从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间。

td(off):关断延时时间
关断延时时间是从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟。

tr:上升时间
上升时间是漏极电流从10%上升到90%所经历的时间。

tf:下降时间
下降时间是漏极电流从90%下降到10%所经历的时间。

参数
Rds(on)----------DS的导通电阻.当Vgs=10V时,MOS的DS之间的电阻
Id------------------最大DS电流.会随温度的升高而降低
Iar-----------------雪崩电流
IDSM---------------最大漏源电流
IDS---------------漏源电流
IDQ---------------静态漏极电流(射频功率管)
ID(on)---------------通态漏极电流
Idss---------------饱和DS电流,uA级的电流
Igss---------------GS驱动电流,nA级的电流
Idm---------------最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低,体现一个抗冲击能力,跟脉冲时间也有关系

Pd-----------------最大耗散功率
Ear---------------重复雪崩击穿能量
Eas---------------单次脉冲雪崩击穿能量

Vgs----------------最大GS电压.一般为:-40V~+40V
BVdss------------DS击穿电压
VGu----------------栅衬底电压(直流)
VDu----------------漏衬底电压(直流)
Vsu----------------源衬底电压(直流)
VGD----------------栅漏电压(直流)
VDS(sat)----------------漏源饱满电压
VDS(on)----------------漏源通态电压
V(BR)GSS----------------漏源短路时栅源击穿电压
Vss----------------源极(直流)电源电压(外电路参数)
VGG----------------栅极(直流)电源电压(外电路参数)
VDD----------------漏极(直流)电源电压(外电路参数)
VGSR----------------反向栅源电压(直流)
VGSF----------------正向栅源电压(直流)

gfs----------------跨导
gds----------------漏源电导
ggd----------------栅漏电导
GPD----------------共漏极中和高频功率增益
GpG----------------共栅极中和高频功率增益
Gps----------------共源极中和高频功率增益
Gp----------------功率增益
Qg----------------总充电电量
Qgs--------------GS充电电量
Qgd-------------GD充电电量

Tj------------------最大工作结温,通常为150度和175度
Tjm------------------最大容许结温
Tstg---------------最大存储温度
Td(on)---------导通延迟时间,从有输入电压上升到10%开始到Vds下降到其幅值90%的时间
Tr----------------上升时间,输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间
Td(off)----------关断延迟时间,输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间

Tf-----------------下降时间,输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 影响:参数与时间相互关联的参数,开关速度越快对应的优点是开关损耗越小,效率高,温升低,对应的缺点是EMI特性差,MOSFET关断尖峰过高。

Ciss---------------输入电容,Ciss=Cgd + Cgs.
Coss--------------输出电容,Coss=Cds +Cgd.
Crss---------------反向传输电容,Crss=Cgc.
Vn—噪声电压
η—漏极效率(射频功率管)
Zo—驱动源内阻