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【功率器件研究所】第二课：如何理解功率MOSFET规格书（1/4）
一. 器件标称及应用说明
图1. IRFB11N50Adatasheet section 2
Datasheet开篇一般都会给出本器件的性能标称，即额定电流，额定电压及最大RDS(ON)值。此外，还会结合本器件的性能特点，给出适合的应用领域。
这里给出的应用领域是开关模式电源支持（SMPS），不间断电源(UPS)及高速电源开关。
二. 器件特点及封装形式
图2.IRFB11N50A datasheet section 3
这里给出了本器件的三个特性：
1．较低的栅极总充电电量只需简单的驱动。这也意味着较快的开关速度及较低的量损耗。
2．优化的栅结构，雪崩能力以及dv/dt的性能。这表明本器件对恶劣工作条件的忍受能力。
3．真实的电容，雪崩电压及电流特性能力。设计人员在使用时能完全参考该datasheet的规格数据。
本器件采用的是TO-220封装，是最常见的MOSFET的封装形式之一，可用于各类主板。TO-220封装的最大优点是散热快，使器件在同等工作条件下，得到更低的结温。
三．热阻
图3.1IRFB11N50A datasheet section 4
热阻是datasheet中极其重要的参数之一，是计算其他参数的依据。热阻越小，表示该器件的散热越快。
图3.2 封装结构及等效热阻电路对应关系图
1．结点到外壳的热阻RθJC：
也称作RthJC（见图3.2），它表明当耗散一个给定的功率时，结温与外壳温度之间的差值大小。
公式表达为：
(式3.1)
其中ΔT表示温升，PD表示最大损耗功率。
即如果RθJC等于 0.75 ˚ C/W，则每耗散10 W的功率，结温将会高于外壳7.5 ˚ C。
在实际应用中，更常用的是瞬时热阻ZthJC（见图3.3）。
图3.3 Maximum Effective Transient ThermalImpedance, Junction-to-Case
要从图3.3中读出ZthJC，就必须知道测试信号时间t1和总的测试脉冲周期t2，计算得到脉冲占空比D，通过t1和相对应的D查到对应的瞬时热阻，然后代入式3计算就可以得到瞬态温升了。
一般曲线图中t1的最小单位时10us，但是如果要用到1us时候的瞬态热阻，就需要自己计算了，计算公式如下：
(式3.2)
2．外壳到散热片的热阻RθCS：
绝缘封装时，外壳（也就是图3.2中的引线框）完全压缩在塑料中。因此无法给出结点到外壳的热阻值，取而代之是结点到散热片的RθCS,它表现出散热片复合的作用。当比较绝缘封装和非绝缘封装型号的热阻时必须特别小心。
3．结点到周围环境的热阻RθJA：
说明当器件不安装散热器且在流通空气中运行时结温是如何升高的。
如果RθJA= 62˚ C /W, 在流通空气中功率的耗散为1W将会产生使结温高于外界空气环境温度62˚ C。
四．极限参数
图4.1IRFB11N50A datasheet section 5
表中给出八个参数的绝对最大值。器件可以在这些值规定的范围内工作，不能超出这些值，一旦超出，器件将会发生毁灭性的损坏。其中，除了VGS和dv/dt需要根据器件的真实性能来制定，ID和PD可以通过公式计算得到，而TJ和TSTG等需要根据应用情况而定。
1．最大直流漏源电流ID:
器件正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。这里给出的是当
VGS=10V（即器件开态时），分别在外壳温度为25度和100度时的最大直流漏源电流，但这并不代表在运行过程中能够达到这里所给定的值。
该参数其实是由公式计算得到的，公式如下：
（式4.1）
将表中的PD=170W以及RDS(on)=0.52Ω 代入式中，可得：
(式4.2)
式中的2.7是一个RDS(on)随温度变化的比例常数，由图4.2中给出，此处取TJ为150度时的常数值，约为2.7。
图4.2Normalized On-ResistanceVs.Temperature
最大直流漏源电流ID会随结温度的上升而有所减额，如图4.3所示。其实根据式4.2来看的话，其曲线就是一条抛物线。
图4.3 Maximum Drain CurrentVs. CaseTemperature
既然是计算值，必会有局限性。
例如器件IRF1404，其计算所得的ID值为162A，但是其封装形式的电流能力只有75A，所以在datasheet的备注中，会说明“封装限制电流为75A”。
2．最大脉冲漏源电流IDM：
功率MOS器件总的来说都有很强的峰流通过能力。连接管脚和芯片上的内部打线决定了该极限值。该参数所能应用的脉冲宽度取决于热考虑。此参数会随结温度的上升而有所减额。
此参数一般取最大直流漏源电流ID的4倍，这里也就是11 x 4 =44A。这一经验公式是根据三极管的参数特性沿用下来的。
3．最大耗散功率PD：
保证场效应管性能良好的最大漏源耗散功率。这里给出的是衬底温度为25度时的最大消耗功率，此参数一般会随结温度的上升而有所减额，这里给出了它的最大线性减额幅度，即每升高1度，最大耗散功率减额1.3W，这也是通过热阻计算出来的。
1 / RθJC=1 / 0.75 = 1.3W
(式4.3)
最大损耗功率是功率器件应用中至关重要的一个参数，图4.4的安全工作区域曲线（SOA）就是用于说明最大损耗功率与相关参数关系的。
图4.4 MaximumSafe Operating Area
安全区主要是由四个条件所决定：导通电阻RDS(on)、最大脉冲电流IDpulse、最大功率损耗PD及最大耐压V(BR)DSS。正常条件下，PowerMOSFET都必须工作在安全工作区域之内。
瞬态最大功耗PD的计算公式是：
（式4.4）
其中Tjmax为极限结温，Tmb为外壳温度（一般情况下为25°C），这里ZthJC使用表中给出的0.75代入公式中，可以得到该器件的最大功率损耗：
PD=（150－25）/ 0.75
= 166.66W≈ 170W
（式4.5）
4．最大栅源电压VGS：
栅上所能承受的最大电压，如果超过此最大值，栅极会被破坏。
为保证应用的余量，给出的VGS值一定会小于栅源击穿电压V(BR)GSS。
一般VGS也可以估算得到，约为栅氧厚度值的十分之一。
5．漏极电压变化率dv/dt:
在MOSFET器件中，存在两个dv/dt的概念（如图4.5），分别如下：
图4.5 Equivalent Circuit of Power MOSFETShowing Two Possible Mechanisms for dv/dt Induced Turn-on
1）栅极电压的变化率：
这个dv/dt用来计算栅极电压的变化速度，与开启的快慢有直接关系，在应用电路中，dv/dt与栅压VG，以及栅漏电容CGD有关，当VG等于Vth，CGD充电完成后，就可以通过调节栅电阻RG实现控制dv/dt的速率，公式如下：
(式4.6)
这里顺带说明一下RG。在低压大电流Trench PowerMOSFETs的datasheet中一般会给出RG的值。
RG由两部分组成，外部电路中的栅电阻RG.C以及器件内部由栅金属，焊接线以及外部封装组成的器件内部电阻RG.I。如果RG过大，在相同的外部电流下，会提前达到开启电压，从而导致器件误开启。
2）源漏二极管导通电压恢复峰值：
这个就是我们datasheet中所指的dv/dt了。
这个参数可以理解为在允许范围内，当工作中的器件突然关断时，漏源间的最大电压上升速率。与反向恢复一样，这也是表征体二极管性能的重要参数。
如果这个增长速率超过额定速率范围的话，会引发MOSFET出现误导（spurious-trigger）情况，甚至对器件造成毁灭性的破坏。
过快的dv/dt会导致过大的di/dt，从而使得电流迅速累积，作为寄生三极管的Base端的P-bodyde的电阻RB会充当这个电流的载体，使得Base端电压增大，当大于P-body和N+组成的PN结的正向导通电压VBE(常温下约0.7V)的时候，P-body与N+导通，电流不通过沟道而使器件直接导通，这一导通过程就称为误导开启。
一旦误导开启，如果没有做好电流限制，很容易触发雪崩击穿，最终对器件造成毁灭性的破坏。
所以，衡量这个dv/dt的能力的，也就变成相应的寄生三极管的参数了：
(式4.7)
一般情况下，datasheet中给出的dv/dt约为器件真实性能的一半。一般器件的dv/dt能量必须超过3V/ns。
6．最大工作结温Tj：
根据器件的工作环境定义不同，通常为 150℃ 或 175℃，这个温度也是可靠性考核的参考温度。
7．存储温度范围TSTG：
超出该温度范围可能导致器件可靠性降低。
8．其他：
这里还给出了10秒内的最大焊接温度及最大的6-32或M3螺丝的安装扭矩（单位是镑/英寸或者是牛顿/米）。