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

在《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)》一文中，我们详细解读了 MOSFET 数据手册中的四个核心参数：功率损耗、漏极电流、安全工作区（SOA）和瞬态热阻抗。

本文将延续上篇的内容，继续解读 MOSFET 数据手册中的另外五个关键参数：雪崩特性、V_GS(th)、寄生电容与栅极电荷、体二极管以及热阻。这些参数直接影响 MOSFET 的开关性能、可靠性和热设计，是深入理解和选型的关键。

MOSFET 雪崩是指当 MOSFET 上所承受的电压超过其击穿电压时，在强电场作用下，载流子（电子和空穴）获得足够高的能量，通过碰撞电离产生新的电子 - 空穴对，形成连锁反应，导致电流急剧增大的现象。该现象类似于雪崩，初始的少量载流子在强电场中迅速引发大量载流子的产生和流动，从而可能造成 MOSFET 器件的损坏，影响其正常工作和性能。

MOSFET 的雪崩特性包括雪崩电流（‌I_AS 和 I_AR）‌和雪崩能量（‌E_AS 和 E_AR）‌。‌其中，‌E_AS 表示单次雪崩击穿能量，‌即器件可以安全吸收的反向雪崩击穿能量的高低；‌E_AR 则表示重复雪崩能量，‌标定了器件所能承受的反复出现的雪崩击穿能量。‌这些参数的限制条件通常是以器件的最高允许结温为极限。

MOSFET 在单个脉冲中所能承受的雪崩能量有一个定义的最大值，在特定的一组测试条件下，MOSFET 数据手册中将其指定为 E_AS。顾名思义，单脉冲雪崩事件只允许发生一次，特别是在条件接近数据手册中提供的限值时。这是因为这些限值对应于高于 MOSFET  T_j,max 的结温，因此重复此类事件会损害 MOSFET 的使用寿命。请记住雪崩不是推荐的操作条件。

在重复雪崩的情况下，雪崩事件以快速重复频率连续发生，这通常与开关电源转换器等应用电路的开关频率 (f_SW) 相同。每个雪崩事件允许的安全雪崩能量远低于单脉冲雪崩。

在大多数重复雪崩情况下，由于每次雪崩事件的能量相对较低，与最坏情况下的单脉冲雪崩相比，硅材料温升可以忽略不计。观察到的 VDS 尖峰仅略微超过 MOSFET V(BR)DSS,(min,25) 额定值，而在高能单脉冲雪崩测试期间记录的振幅为 1.2~1.3 x V(BR)DSS,(min,25)。单次雪崩额定值和重复雪崩额定值之间的相关差异与此类事件引 起的允许 Tj,max 有关。事实上，虽然在单脉冲雪崩中允许结温超过 Tj,max，但对于重复雪崩却不是这样。在重复雪崩中超过 Tj,max 会产生累积效应，这可能会降低器件在其使用寿命内的可靠性，从而导致过早失效。

区分单脉冲和重复雪崩非常重要，因为它们影响正常 MOSFET 特性的方式大不相同。单脉冲雪崩的两种器件失效模式是由高电流（闩锁效应）或高能量（热损坏）引起的。这些失效模式是灾难性的；然而，在重复雪崩情况下，损坏过程是渐进的，通过重复的微损伤非常缓慢地影响器件。即使是低能量雪崩事件也会产生一些热载流子，这些载流子电荷沿着功率 MOSFET 的沟槽氧化物注入。重复雪崩事件会引起电荷积累，这会慢慢损害器件可靠性。这可能导致一段时间后发生现场失效。

如下图（图2）所示的基本原理电路图和测试波形，在感性负载应用（如电感，变压器， 电机等）中使用 MOSFET 时，当 MOSFET 关闭时，由于电感或者电路寄生电感的特性，产生反电动势，该反电动势叠加在输入电压会产生超过 MOSFET 最大额定值 V(BR)DSS 的高电压。

当向 MOSFET 施加高于绝对最大额定值 V(BR)DSS 的电压时，就会发生击穿。当施加高于 V(BR)DSS 的高电场时，自由电子被加速并带有很大的能量，这会导致碰撞电离，从而产生电子-空穴对。这种电子-空穴对呈雪崩式增加的现象称为“雪崩击穿”。在这种雪崩击穿期间，与  MOSFET 内部二极管电流呈反方向流动的电流称为“雪崩电流 I_AS”，如图 3 中蓝色路径所示。

在雪崩击穿期间，不仅会发生由雪崩电流导致寄生三极管误导通而造成的短路和损坏（如前所述），还会发生由传导损耗带来的热量过高造成的损坏。当 MOSFET 处于击穿状态时，会流过雪崩电流，根据图 1 所示波形，在这种状态下，雪崩能量公式为：

这种功率损耗称为“雪崩能量 E_AS”。尽管 MOSFET 处于 OFF 状态，电流仍然会几十安到数百安流动，一方面会产生高损耗、高温度，并可能损坏 MOSFET 元胞结构，另一方面过大的雪崩电流会导致 MOSFET 寄生三极管导通，从而使 MOSFET 漏源极在高电压下趋于导通状态，漏源极电流瞬间大幅增加，导致 MOSFET 失效。

为了突破单脉冲非箝位感性负载开关测试电路的局限性，自 1980s 年以来，已经实现了解耦隔离式 VDD 电压源电路，如下图 (图4) 所示：

这里增加了一个驱动场效应管和再循环二极管，使雪崩时电感两端的压降等于雪崩电压。使用这种电路，能量可以简单地计算为：

在实际测试中，电压、电流往往不是直线的。如下图（图5）所示：

通过测量器件中的瞬时电压和电流，并按下式积分，可以更好、更准确地读取雪崩能量：

一般 MOS 的 datasheet 只给出了特定条件下的 E_AS 参数和曲线，如何计算更多参数条件下的 E_AS，满足实际使用的复杂条件是非常重要的。计算更多温度下的 E_AS：

计算更多电流下的 EAS：

英飞凌车规 MOS 的 VDS, peak=1.3*V(BR)DSS。

关于 V_GS 有两个地方需要特别注意，一个是 V_GS(th) 的负温度特性，V_GS(th) 会随着温度上升下降，需特别注意在高温下 V_GS(th) 误导通的情况，特别是一些浮地驱动的情况。另一个是 V_GS 的 R_DS-on 的对应曲线，达到 V_GS(th) 并不意味着 MOS 就能达到 R_DS-on 的标称值，需特别注意 driver 最大输出电压值，避免 MOS 的导通损耗增加。

另外特别注意 Logic Level 的 MOS 的 V_GS(th)，因本身常温下就比较低，在高温下衰减很容易导致误导通，对 driver 和 layout的要求更高。

MOS 的 Ciss, Coss, Crss 和 Qg, Qgs, Qgd 将直接决定 MOS 的开启 ON 的 rise time 和 OFF 的 fall time，并影响 EMC 等测试。

下图（图12）为 MOSFET 寄生电容的等效模型：

各电容之间的关系为：Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

需要特别注意的是，Ciss, Coss, Crss 的容值都是随着 VDS 电压改变而改变的。

从 MOS Qg 曲线（图15）可以观察到两个重要现象：

1. Qg 并不等于 Qgs+Qgd
2. Vgs 高，Qg 大，而 Qg 大，驱动损耗大

由此计算 t_ON rise 和 t_OFF fall 时间，公式如下：

任何应用、架构下，谨慎计算 MOS 的 t_ON rise 和 t_OFF fall，以及对应的开关损耗，避免开关损耗过大，MOS 热受损。特别是 thermal instability 平衡点以下的时刻。

Reverse Diode 对于半桥、全桥、电机、续流等需要用到二极管的应用场景中，是非常关键的参数。一个强建的体二极管，对于系统的可靠性是非常重要的。

与其他 p-n 结二极管一样，MOSFET 体二极管具有少数载流子反向恢复，因此具有一定的反向恢复时间。当二极管在承载正向电流的同时反向偏置时，就会发生反向恢复现象。反向恢复在数据表中的特征是时间 trr 和在一组指定条件下测试的反向恢复电荷 Qrr。

在实际应用中，体二极管的压降、Reverse recovery time 将直接影响 EMC、效率等结果。选择合适的体二极管，往往在部分应用中具有有决定性的作用。

在通常条件下，热量的传递通过传导、对流、辐射三种方式进行。

• 传导是通过物体的接触，将热流从高温向低温传递，导热率越好的物体则导热性能越好，一般来说金属导热性能最好；
• 对流是通过物体的流动将热流带走，液体和气体的流速越快，则带走的热量越多；
• 辐射不需要具体的中间媒介，直接将热量发送出去，真空中效果更好。

三种传热方式的基本定律为：

• 热传导的 Fourier 定律：𝑄=𝜀∁(∆𝑇)/𝛿
• 热对流的 Newton 定律：𝑄=𝛼∁(∆𝑇)
• 热辐射的定律：𝑄=5.67𝑒−8𝛽∁(𝑇ℎ4−𝑇𝑐4)

其中 𝜀, 𝛼, 𝛽 为导热系数，换热系数和发射率。C 为换热面积。

半导体器件热量主要是通过三个路径散发出去：封装顶部到空气，封装底部到电路板和封装引脚到电路板。电子器件散热中最常用的，也是最重要的一个参数就是热阻（Thermal Resistance）。热阻是描述物质热传导特性的一个重要指标。

关于英飞凌的 datasheet 中标明的所有热阻都是在限定条件下测得的，实际可以通过很多外部设计来优化热阻。

MOS 的热阻模型如下图（图18）所示：

从热阻模型可以看出各种热阻的关系如下：

Rth-JA = Rth-JC + Rth-CA

Rth-JH = Rth-JC + Rth-CH

结至外壳热阻指标是设计用于在连接散热器时估算封装的热性能，是 MOS 的运行部分到最近接芯片安装区域的封装（外壳）外表面的热阻。英飞凌的 Rth-JC 测试条件如下图（图19）所示。Package 的 TOP 外露在环温中，另一侧固定在绝热边界条件中测试。

结至环境热阻 Rth-JA 是最常见的热指标，也是最常误用的指标。Rth-JA 是安装在特定测试板上的 IC 封装散热性能的度量。Rth-JA的目的是给出一个指标，通过该指标可以比较封装的相对热性能。英飞凌的 Rth-JA 测试条件如下：

• 使用 JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) 板用于热评估。PCB 结构根据 JEDEC 标准 2s2p，没有热过孔，如图 20 所示
• PCB 尺寸- 74*116*1.5 mm
• 自然对流

英飞凌增加了参考金属散热片的热阻，供做热设计的参考。测试条件如下：

• 使用 JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) 板用于热评估。PCB 结构根据 JEDEC 标准 2s2p，没有热过孔，如图 22 所示
• PCB 尺寸- 74*116*1.5 mm
• 自然对流
• 金属外壳顶部的温度固定在 Tambient，85°C
• 散热器 71x110x2 mm，通过 TIM 连接，3.3 W/(m*K)，厚度 400µm

从以上可知，Rth-JA 是一个并不专属于封装的可变函数，它也是诸如已安装器件上印刷电路板 (PCB) 的设计和布局布线等很多其他系统级特性的函数。实际上，测试板是一个焊接在器件引线上的散热器。 更改测试板的设计或配置也会改变散热器的效率，并因此改变测得的  Rth-JA。

事实上，在静止空气中执行 JEDEC 定义的 Rth-JA 测量时，芯片产生的功率几乎有 70% 至 95% 从测试板耗散，而不是从封装的表面散发。下表列出了在所有材料保持不变时，会影响给定封装外形的 Rth-JA 的因素。第一列列出了因素，而第二列给出了凭经验法则估算出的影响程度。

鉴于 Rth-JA 不仅仅取决于封装本身的特性，还取决于封装、PCB 和其他环境因素的特性这一事实，所以最好将它用于比较不同公司、不同封装之间的热性能。

本文深入解读了 MOSFET 数据手册中的另外五个关键参数：雪崩特性、V_GS(th)、寄生电容与栅极电荷、体二极管以及热阻。下一篇将结合汽车电子中的典型应用场景——DC/DC转换器、PDU/SPDU/efuse、BLDC 电机驱动，分析这些关键参数在实际设计中的选型要点和注意事项，帮助工程师将参数知识转化为实际应用能力。

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