英飞凌 MOSFET datasheet 详解——那些你需要关注的关键参数与典型应用 (上)

MOS 管 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称 MOSFET)，是现代电子设计中必不可少的开关与功率控制器件。它具有输入阻抗高、开关速度快、导通损耗低等优点，广泛应用于电源管理、开关电源、电机驱动、功率分配等场景。

《英飞凌 MOSFET datasheet 详解——那些你需要关注的关键参数与典型应用》系列分为上、中、下三篇，将以英飞凌 Automotive MOSFET IAUCN04S7N006T 为例，深入解读 N-MOS 的 datasheet 和 AUTO 相关的应用需要特别注意的主要参数，包括功率耗散、漏极电流、安全工作区、瞬态热阻抗、雪崩等，帮助工程师准确理解并合理使用这些参数。本文为上篇，将重点介绍功率耗散、漏极电流、安全工作区和瞬态热阻抗四个核心参数。

Power dissipation 是指 MOSFET 在指定的热条件下可以连续耗散的最大功率，它是 MOSFET 选型时需要考虑的参数之一，该参数表示Tc温度下的最大允许功耗，计算公式如下：

下图 (图1) 为英飞凌 IAUCN04S7N006T 最大额定值表，随着外壳温度的升高，最大允许功耗降低，如图 2 变化曲线所示。

连续漏极电流 I_D 是可以流过器件而不超过任何热边界条件的最大电流。I_D 额定值有两个限制，一个是最大允许结温，另一个封装 package 电流限制。

在T_J (结温)、T_C (壳温)、R_thJC (junction-to-case 热阻) 和 R_{DS(on)_TJ(max)} (最高结温下最大导通状态电阻)，I_D 电流可由下式计算：

第一个额定值是芯片 chip 的极限电流，即计算出的理论最大额定值，如计算公式所示。
第二个额定值是 DC 电流额定值，它表示制造过程中测试的最大电流。这种限制来自于 package，比如 bond wire or copper clip 的限制。
第三个额定值是基于 JEDEC 标准 PCB 和 R_thJH 热阻测试得出的应用参考电流额定值。在限定的条件下，R_thJH 的额定功率更有参考价值。但是，R_thJH 取决于外部环境，如布局设计、基板材料、热界面材料、散热器设计等，而 R_thJH 在特定情况下可以低于 JEDEC  标准，从而允许更高的电流能力。

脉冲电流限制 I_D,pulse，与脉冲宽度 t_p、外壳温度 T_C 相关。所以 I_D,pulse 可以由 Z_thJC 计算，公式如下：

I_D 和 T_C 的温度曲线如下图 (图4) 所示：

功率 MOSFET 数据表包含带有一系列曲线的安全工作区 (SOA) 图，可确保器件在应用中的电流和电压条件下运行而不会损坏。正确使用 SOA 数据是确保系统可靠运行的关键设计元素。SOA 曲线有五个局限性：R_DS(on)、电流、最大功率、热不稳定性和 BV_DSS。

如图 5 所示，R_DS(on) limited 给出了 V_DS 和 I_DS 之间的线性关系。线的斜率就是 T_j=150°C、V_GS=10V 时 MOSFET 的最大 R_DS(on)。因此 R_DS(on)-limited 为:

对于较低的 V_GS 电压，R_DS(on) limited 将降低，因为 R_DS(on) 值随着 V_GS 电压的降低而增加。R_DS(on) 随 V_GS 变化的曲线可以在 MOSFET datasheet 中找到 (如图 6 所示)。

在 T_j 低于 150°C 的情况下，R_DS(on) limited将向上移动，因为 R_DS(on) 值随着 T_j 的降低而减小。R_DS(on) 随 T_j 变化的曲线可以在 MOSFET datasheet 中找到 (如图 7 所示)。

因此可以使用公式和 R_DS(on) 的相关曲线参数轻松地重新计算 R_DS(on) limited。

由最大脉冲电流 I_D,pulse 限制决定，该电流的值依赖 package (number of bond wires, bond wire diameter, clip dimension……)。与 SSO8 的 IAUCN04S7N006 相比，SSO10T 的 IAUCN04S7N006T 具备更大的最大电流限制。

它是根据 MOS 允许产生的最大功率，达到稳定的结温 T_j=175°C 的热平衡，T_c=25°C 来计算的。因此热量，如外壳温度 (T_c) 和热阻抗 (Z_thJC) 将强烈影响这条 limit 线。假设热平衡，可以计算出极限线：

I_D(V_DS) 值受热阻抗 Z_thJC 值的影响。对于短脉冲，Z_thJC 的值取决于脉冲长度和占空比。Z_thJC 可以从 datasheet 相应的图表中获取。SOA 图显示，脉冲长度的增加使 Max power limited 线向下移动，它反映了在更长的脉冲时间或更高的占空比下更高的热阻抗。

为了理解这种限制，有必要考虑热不稳定性准则。一个 MOSFET 被认为是热不稳定的，如果功率产生 (P_generated) 大于通过热的形式的功率耗散 (P_dissipated)。那么：

带入公式，设定 V_DS 不变的情况下：

由此 ∂I_DS/∂T 可以理解为一个温度系数，当V_DS＞0，1/Z_thJC(t_pulse)＞0，温度系数为正的时候，才会发生 thermal instability。那么什么情况下会出现温度系数为正呢？

参考 datasheet 中 I_D=f(V_GS) 的图表，比较 T_j=25°C 和 T_j=175°C 时，VGS=4V 时的电流。可以看出 V_GS=4V 时，电流会随温度上升，这意味着 V_GS=4V 的温度系数是正的。在 V_GS=5.5V 时，电流随温度升高而减小，相应的温度系数为负。很显然在 V_GS=5V 以下的时候，才会发生 thermal instability。

V_GS 上温度系数从正到负的变化是由两个相互竞争的效应引起的。由于电子迁移率较低，MOSFET 的电阻会随温度增加，而阈值电压 (V_TH) 会随温度上升而降低，因为更多的电子会激发到导带中。在低温下，阈值电压随温度升高而降低的影响占主导地位，电流随温度增加而增加，而在较高温度下，R_DS(on) 的增大占主导地位，I_D 会随温度升高而降低。

对于温度系数为负，热的地方会吸收更少的电流，并且会冷却下来。芯片自身稳定，初始温度变化变得无关紧要。

对于温度系数为正，局部热点随着温度升高会吸收更多的电流。这将导致增加的局部功率耗散和进一步加热。最终，这将导致热失控和芯片的局部受损。

在右边 SOA 的极限由 MOSFET 的最大适用 V_DS 电压给出。这通常是器件的击穿电压 V_(BR)DSS，将受到 T_j 的影响。在 datasheet 中有给处相应曲线。由下图 (图9) 可以看到低温下 V_(BR)DSS 电压可能会显著降低。因此，如果应用位于环境温度较低的环境中，则必须小心。

Z_thJC 图用于估算由于单个或重复功率脉冲而导致的结温升，还可用于估算 MOSFET 在单个或周期脉冲电流下的峰值电流能力。

利用 Z_thJC 图估算结温升是一个相对简单的过程。首先必须知道运行条件，包括栅极驱动电压 V_GS、漏极电流 (直流或均方根) I_D、脉冲宽度 t₁ 以及占空比  D。使用 V_GS 根据 MOSFET 数据表确定 R_DS(on)，并计算功率耗散：

P = ID × ID × R_DS(on)

在 Z_thJC 图上，在 x 轴上找到脉冲宽度 t₁，并在与功率脉冲占空比 D 匹配的曲线上画一条垂直线。这就是这些运行条件下的归一化热阻抗。可以使用如下所示的公式计算估计的结温升。

ΔT_J = P × Z_thJC

当峰值电流要求已知时，Z_thJC 图在 MOSFET 选择过程中也很有用。T_C=25°C 时的 MOSFET 最大连续漏极电流计算如下：

对于单脉冲或重复脉冲，热阻乘以 Z_thJC 图中的归一化瞬态热阻抗值。现在，峰值漏极电流的计算变为：

本文主要介绍了英飞凌 MOSFET datasheet 中关于功率耗散、漏极电流、安全工作区和瞬态热阻抗四个核心参数。下一篇将继续带大家解读雪崩、V_GS(th)、寄生电容与栅极电荷、体二极管、热阻。

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