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MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

3 月 19, 2019

MOSFET是开关电源中的重要元器件,也是比较难掌握的元器件之一,尤其在LLC,LCC软开关的设计中,对于MOSFET元器件本身的理解尤其重要,理解透彻了,也就应用自如了。本文会从理论上对MOSFET的重要设计参数进行介绍。

 

1. 功率损耗

MOSFET的功率损耗主要受限于MOSFET的结温,基本原则就是任何情况下,结温不能超过规格书里定义的最高温度。而结温是由环境温度和MOSFET自身的功耗决定的。下图是典型的功率损耗与MOSFET表面结温(Case temp.)的曲线图。

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

一般MOSFET的规格书里面会定义两个功率损耗参数,一个是归算到芯片表面的功率损耗,另一个是归算到环境温度的功率损耗。这两个参数可以通过如下两个公式获得,重点强调一点,与功耗温度曲线密切相关的重要参数热阻,是材料和尺寸或者表面积的函数。随着结温的升高,允许的功耗会随之降低。

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

根据最大结温和热阻,可以推算出MOSFET可以允许的最大功耗。

 

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归算到环境温度的热阻是布板,散热片和散热面积的函数,如果散热条件良好,可以极大提升MOSFET的功耗水平。

 

2. 漏极(沟道)电流

规格书中会定义最大持续漏极电流和最大脉冲电流,如下图。一般规格书中最大脉冲电流会定义在最大持续电流的4倍,并且随着脉冲宽度的增加,最大脉冲电流会随之减少,主要原因就是MOSFET的温度特性,这一点可以从之后讲到的安全工作区图形中清楚看到。

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

理想情况下,理论上最大持续电流只依赖于最大功耗,此时最大持续电流可以通过功率公式(P=I^2 R)推算出。如下式:

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

然而实际中,其他条件会限制理论上计算出来的最大持续电流,比如铜线直径,芯片工艺与组装水平等。比如上式中计算的最大持续电流为169A,但是考虑到其他约束条件,实际只能达到100A。所以制造商的工艺水平某种程度上决定了设计余量,知名厂商往往强项就在于此。下图就是实际的持续电流与结温的关系曲线图,脉冲电流是由安全工作区决定的。

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

3. 安全工作区

安全工作区可以说是MOSFET最重要的数据,也是设计者最重要的设计参考。下图是典型的安全工作区图形。

 

MOSFET元器件这些特性你都知道吗?-电路图讲解-电子技术方案

 

由上图可知,MOSFET的SOA实际上有5条限制线,这5条限制线决定了SOA的区域。细节如下图:

 

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