一. 器件標稱及應用說明
圖1. IRFB11N50Adatasheet section 2
Datasheet開篇一般都會給出本器件的性能標稱,即額定電流,額定電壓及最大RDS(ON)值。此外,還會結合本器件的性能特點,給出適合的應用領域。
這里給出的應用領域是開關模式電源支持(SMPS),不間斷電源(UPS)及高速電源開關。
二. 器件特點及封裝形式
圖2.IRFB11N50A datasheet section 3
這里給出了本器件的三個特性:
1.較低的柵極總充電電量只需簡單的驅動。這也意味著較快的開關速度及較低的量損耗。
2.優(yōu)化的柵結構,雪崩能力以及dv/dt的性能。這表明本器件對惡劣工作條件的忍受能力。
3.真實的電容,雪崩電壓及電流特性能力。設計人員在使用時能完全參考該datasheet的規(guī)格數據。
本器件采用的是TO-220封裝,是最常見的MOSFET的封裝形式之一,可用于各類主板。TO-220封裝的最大優(yōu)點是散熱快,使器件在同等工作條件下,得到更低的結溫。
三.熱阻
圖3.1IRFB11N50A datasheet section 4
熱阻是datasheet中極其重要的參數之一,是計算其他參數的依據。熱阻越小,表示該器件的散熱越快。
圖3.2 封裝結構及等效熱阻電路對應關系圖
1.結點到外殼的熱阻RθJC:
也稱作RthJC(見圖3.2),它表明當耗散一個給定的功率時,結溫與外殼溫度之間的差值大小。
公式表達為:
(式3.1)
其中ΔT表示溫升,PD表示最大損耗功率。
即如果RθJC等于 0.75 ? C/W,則每耗散10 W的功率,結溫將會高于外殼7.5 ? C。
在實際應用中,更常用的是瞬時熱阻ZthJC(見圖3.3)。
圖3.3 Maximum Effective Transient ThermalImpedance, Junction-to-Case
要從圖3.3中讀出ZthJC,就必須知道測試信號時間t1和總的測試脈沖周期t2,計算得到脈沖占空比D,通過t1和相對應的D查到對應的瞬時熱阻,然后代入式3計算就可以得到瞬態(tài)溫升了。
一般曲線圖中t1的最小單位時10us,但是如果要用到1us時候的瞬態(tài)熱阻,就需要自己計算了,計算公式如下:
(式3.2)
2.外殼到散熱片的熱阻RθCS:
絕緣封裝時,外殼(也就是圖3.2中的引線框)完全壓縮在塑料中。因此無法給出結點到外殼的熱阻值,取而代之是結點到散熱片的RθCS,它表現出散熱片復合的作用。當比較絕緣封裝和非絕緣封裝型號的熱阻時必須特別小心。
3.結點到周圍環(huán)境的熱阻RθJA:
說明當器件不安裝散熱器且在流通空氣中運行時結溫是如何升高的。
如果RθJA= 62? C /W, 在流通空氣中功率的耗散為1W將會產生使結溫高于外界空氣環(huán)境溫度62? C。
四.極限參數
圖4.1IRFB11N50A datasheet section 5
表中給出八個參數的絕對最大值。器件可以在這些值規(guī)定的范圍內工作,不能超出這些值,一旦超出,器件將會發(fā)生毀滅性的損壞。其中,除了VGS和dv/dt需要根據器件的真實性能來制定,ID和PD可以通過公式計算得到,而TJ和TSTG等需要根據應用情況而定。
1.最大直流漏源電流ID:
器件正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流。這里給出的是當
VGS=10V(即器件開態(tài)時),分別在外殼溫度為25度和100度時的最大直流漏源電流,但這并不代表在運行過程中能夠達到這里所給定的值。
該參數其實是由公式計算得到的,公式如下:
(式4.1)
將表中的PD=170W以及RDS(on)=0.52Ω 代入式中,可得:
(式4.2)
式中的2.7是一個RDS(on)隨溫度變化的比例常數,由圖4.2中給出,此處取TJ為150度時的常數值,約為2.7。
圖4.2Normalized On-ResistanceVs.Temperature
最大直流漏源電流ID會隨結溫度的上升而有所減額,如圖4.3所示。其實根據式4.2來看的話,其曲線就是一條拋物線。
圖4.3 Maximum Drain CurrentVs. CaseTemperature
既然是計算值,必會有局限性。
例如器件IRF1404,其計算所得的ID值為162A,但是其封裝形式的電流能力只有75A,所以在datasheet的備注中,會說明“封裝限制電流為75A”。
2.最大脈沖漏源電流IDM:
功率MOS器件總的來說都有很強的峰流通過能力。連接管腳和芯片上的內部打線決定了該極限值。該參數所能應用的脈沖寬度取決于熱考慮。此參數會隨結溫度的上升而有所減額。
此參數一般取最大直流漏源電流ID的4倍,這里也就是11 x 4 =44A。這一經驗公式是根據三極管的參數特性沿用下來的。
3.最大耗散功率PD:
保證場效應管性能良好的最大漏源耗散功率。這里給出的是襯底溫度為25度時的最大消耗功率,此參數一般會隨結溫度的上升而有所減額,這里給出了它的最大線性減額幅度,即每升高1度,最大耗散功率減額1.3W,這也是通過熱阻計算出來的。
1 / RθJC=1 / 0.75 = 1.3W
(式4.3)
最大損耗功率是功率器件應用中至關重要的一個參數,圖4.4的安全工作區(qū)域曲線(SOA)就是用于說明最大損耗功率與相關參數關系的。
圖4.4 MaximumSafe Operating Area
安全區(qū)主要是由四個條件所決定:導通電阻RDS(on)、最大脈沖電流IDpulse、最大功率損耗PD及最大耐壓V(BR)DSS。正常條件下,PowerMOSFET都必須工作在安全工作區(qū)域之內。
瞬態(tài)最大功耗PD的計算公式是:
(式4.4)
其中Tjmax為極限結溫,Tmb為外殼溫度(一般情況下為25°C),這里ZthJC使用表中給出的0.75代入公式中,可以得到該器件的最大功率損耗:
PD=(150-25)/ 0.75
= 166.66W≈ 170W
(式4.5)
4.最大柵源電壓VGS:
柵上所能承受的最大電壓,如果超過此最大值,柵極會被破壞。
為保證應用的余量,給出的VGS值一定會小于柵源擊穿電壓V(BR)GSS。
一般VGS也可以估算得到,約為柵氧厚度值的十分之一。
5.漏極電壓變化率dv/dt:
在MOSFET器件中,存在兩個dv/dt的概念(如圖4.5),分別如下:
圖4.5 Equivalent Circuit of Power MOSFETShowing Two Possible Mechanisms for dv/dt Induced Turn-on
1)柵極電壓的變化率:
這個dv/dt用來計算柵極電壓的變化速度,與開啟的快慢有直接關系,在應用電路中,dv/dt與柵壓VG,以及柵漏電容CGD有關,當VG等于Vth,CGD充電完成后,就可以通過調節(jié)柵電阻RG實現控制dv/dt的速率,公式如下:
(式4.6)
這里順帶說明一下RG。在低壓大電流Trench PowerMOSFETs的datasheet中一般會給出RG的值。
RG由兩部分組成,外部電路中的柵電阻RG.C以及器件內部由柵金屬,焊接線以及外部封裝組成的器件內部電阻RG.I。如果RG過大,在相同的外部電流下,會提前達到開啟電壓,從而導致器件誤開啟。
2)源漏二極管導通電壓恢復峰值:
這個就是我們datasheet中所指的dv/dt了。
這個參數可以理解為在允許范圍內,當工作中的器件突然關斷時,漏源間的最大電壓上升速率。與反向恢復一樣,這也是表征體二極管性能的重要參數。
如果這個增長速率超過額定速率范圍的話,會引發(fā)MOSFET出現誤導(spurious-trigger)情況,甚至對器件造成毀滅性的破壞。
過快的dv/dt會導致過大的di/dt,從而使得電流迅速累積,作為寄生三極管的Base端的P-bodyde的電阻RB會充當這個電流的載體,使得Base端電壓增大,當大于P-body和N+組成的PN結的正向導通電壓VBE(常溫下約0.7V)的時候,P-body與N+導通,電流不通過溝道而使器件直接導通,這一導通過程就稱為誤導開啟。
一旦誤導開啟,如果沒有做好電流限制,很容易觸發(fā)雪崩擊穿,最終對器件造成毀滅性的破壞。
所以,衡量這個dv/dt的能力的,也就變成相應的寄生三極管的參數了:
(式4.7)
一般情況下,datasheet中給出的dv/dt約為器件真實性能的一半。一般器件的dv/dt能量必須超過3V/ns。
6.最大工作結溫Tj:
根據器件的工作環(huán)境定義不同,通常為 150℃ 或 175℃,這個溫度也是可靠性考核的參考溫度。
7.存儲溫度范圍TSTG:
超出該溫度范圍可能導致器件可靠性降低。
8.其他:
這里還給出了10秒內的最大焊接溫度及最大的6-32或M3螺絲的安裝扭矩(單位是鎊/英寸或者是牛頓/米)。