溫度對MOSFET工作和性能的影響

我們在一些開關(guān)電源中會使用MOSFET去做控制。

但是在手冊上我能找的信息，一般只有關(guān)鍵規(guī)格、額定值和特性，以幫助您確認器件將按預(yù)期運行

但是，我們可能對MOSFET的參數(shù)如何變化有疑問，因此在本文中，我將不僅解釋數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容，而且更重要的是，還會解釋數(shù)據(jù)表里沒有參數(shù)--溫度對MOSFET的影響。

2.MOSFET管的數(shù)據(jù)表

我們以 TI CSD17576Q5B 這個器件的數(shù)據(jù)表為例。第一頁（如圖 1 所示）總結(jié)了器件功能，分為特性、應(yīng)用和描述部分，包括 FET 封裝的示意圖。

第一頁還包括產(chǎn)品摘要、參數(shù)信息和絕對最大額定值表。

產(chǎn)品匯總表是典型參數(shù)的快照，因此我們可以為我們的應(yīng)用選擇合適的 FET。

絕對最大額定值表列出了安全操作的界限，超出該界限，MOSFET 可能會永久損壞。除非另有說明，這些表中的規(guī)格和額定值均在環(huán)境溫度 T A = 25°C 下進行。此外，R DS(on)與 V GS（在 T C = 25°C 和 125°C 的外殼溫度下）和柵極電荷的典型性能圖也是第一頁的一部分。

圖 1：CSD17576Q5B NexFET? 數(shù)據(jù)表的第一頁

數(shù)據(jù)表的第二頁包括目錄和修訂歷史。接下來是規(guī)格表、電氣特性和熱信息，然后是顯示典型 MOSFET 特性的圖表。然后是關(guān)于設(shè)備和文檔支持的部分。數(shù)據(jù)表的最后一部分包括機械、包裝和可訂購信息。除非另有說明，所有規(guī)格和額定值均在環(huán)境溫度下，T A = 25°C。

溫度依賴性

絕對最大額定值表中的一些 FET 規(guī)格與溫度有關(guān)，包括漏源電壓 (V DS )、連續(xù)漏電流(I D )、脈沖漏電流(I DM ) 和功耗 (P D）。最大 V GS額定值保證在操作期間沒有柵極氧化層擊穿并且與溫度無關(guān)。雪崩能量 (E AS ) 在 T C = 25°C 和 T C = 125°C 的情況下進行測試，典型 MOSFET 特性圖中的相應(yīng)圖表顯示 E AS在升高的溫度下降低。

靜態(tài)特性

電氣特性表分為靜態(tài)、動態(tài)和二極管特性，如圖2所示。 下面我們來看看靜態(tài)特性部分的溫度相關(guān)FET參數(shù)：漏源擊穿電壓（BV DSS）的溫度變化)、漏源漏電流 (I DSS )、柵源漏電流 (I GSS ) 和跨導(dǎo) (g fs ) 不包括在數(shù)據(jù)表圖表中。典型的 MOSFET 特性圖確實包括閾值電壓 (V GS(th) ) 和導(dǎo)通電阻 (R DS(on)) 與溫度。閾值電壓具有負溫度系數(shù)，導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)。

圖 2：CSD17576Q5B NexFET? 數(shù)據(jù)表中的電氣特性表

圖 3 是兩個功率 MOSFET的 BV DSS溫度變化：CSD17576Q5B 30-V 溝槽 FET 和CSD19532Q5B 100-V超級結(jié)器件；圖 3 中的曲線顯示了 BV DSS以及 I DSS和 I GS的溫度依賴性。隨著溫度升高，兩者的擊穿電壓幾乎呈線性增加。線的斜率是 BV DSS的正溫度系數(shù)，并且會因 FET 的工藝技術(shù)和額定電壓而異。注意，正的溫度系數(shù)小于用于CSD19532Q5B比對于CSD17576Q5B。

圖 3：歸一化 BV DSS與溫度的關(guān)系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

圖 4 顯示了CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B的 I DSS的溫度依賴性。較低電壓的 FET CSD17576Q5B 在 -55°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)顯示出更多變化。對于這兩種器件，曲線在低溫下趨于變平。這不是實際行為，而是測試測量系統(tǒng)在測量非常小的電流時的限制。器件物理特性決定了低溫下的持續(xù)下降趨勢。

圖 4：歸一化 I DSS與溫度的關(guān)系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

對于 CD17576Q5B 和 CSD19532Q5B，如圖 5 所示，I GSS也具有正溫度變化。在-55°C 至 150°C 的溫度范圍內(nèi)，CSD19532Q5B 的I GSS的相對增加更大。同樣，低溫下曲線變平是由測試測量系統(tǒng)的分辨率引起的。

圖 5：歸一化 I GSS與溫度的關(guān)系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

最后一個參數(shù) g fs也與溫度有關(guān)。您可以使用 CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B 數(shù)據(jù)表中的傳遞曲線，如圖 6 所示，使用公式 1估算 g fs：

g fs = ΔI DS /ΔV GS                    (1)

圖 6：傳輸特性：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

從數(shù)據(jù)表曲線中選取數(shù)據(jù)點，表 1 列出了 g fs的估計值。您可以看到跨導(dǎo)具有負溫度系數(shù)。

表 1：CSD17576Q5B 的估計 g fs值

您可以使用 CSD19532Q5B 的傳輸特性進行相同的 g fs估計，如表 2 中所列。

表 2：CSD19532Q5B 的估計 g fs值

動態(tài)特性

動態(tài)特性部分中的參數(shù)表示 MOSFET 的開關(guān)速度。這些包括寄生電容（C ISS、C OSS和C RSS）、內(nèi)部串聯(lián)柵極電阻（R G）和電荷參數(shù)（Q G、Q GD、Q GS和Q OSS）。這些參數(shù)與外部柵極驅(qū)動電路一起決定了典型的開關(guān)時間（t d(on)、t r、t d(off)和 t f）。寄生電容和電荷參數(shù)的溫度變化很小。? ?隨溫度變化，但通常會被外部柵極電阻和柵極驅(qū)動器的輸出阻抗淹沒，導(dǎo)致數(shù)據(jù)表中指定的開關(guān)時間有一些微小的偏差。圖 7 顯示了具有寄生電容和內(nèi)部串聯(lián)柵極電阻的 MOSFET。

圖 7：具有寄生元件的 MOSFET 模型

二極管特性

電氣特性表的最后一部分是漏源體二極管規(guī)格。二極管正向電壓 (V SD ) 具有負溫度特性，如典型的 MOSFET 特性所示。反向恢復(fù)電荷 (Q rr ) 和反向恢復(fù)時間 (t rr ) 在升高的溫度下都會增加。因此，在升高的溫度下，反向恢復(fù)損耗也會增加。

圖 8 顯示了兩個非 TI FET 隨溫度的反向恢復(fù)行為。Q rr是漏極電流包圍的面積，t rr是電流回到零所需的時間。我們可以期待 TI NexFET 器件在溫度范圍內(nèi)的類似行為。

圖 8：兩個 FET 的反向恢復(fù)電流與溫度的關(guān)系

安全操作區(qū)

我們經(jīng)常有疑問，如何根據(jù) MOSFET 數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū) (SOA) 曲線降低溫度。圖 9 顯示了CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B在 T A = 25°C 時的 SOA 曲線。

圖9：在T最大安全工作區(qū)甲= 25°C：CSD17576Q5B（a）的 和 CSD19532Q5B (b)

最簡單的方法是使用線性降額因子。從圖中確定 SOA 電流 I DS(SOA)、電壓 V DS(SOA)和感興趣的脈沖寬度。公式 2 計算溫度 T (°C) 下的 SOA 電流為：

I DS(SOA@T) = I DS(SOA) × (T Jmax - T)/(T Jmax - 25°C) (2)

當(dāng) T = T Jmax 時，公式 2 產(chǎn)生 0 電流，在數(shù)據(jù)表中指定。

3.結(jié)論

在這篇技術(shù)文章中，我參考了MOSFET的數(shù)據(jù)表，了解其中的內(nèi)容和不包含的內(nèi)容。研究了一下數(shù)據(jù)表中未包含的具有溫度依賴性的規(guī)格，并提供了典型曲線和數(shù)據(jù)，顯示這些規(guī)格如何隨溫度變化，并顯示了總體趨勢與溫度的關(guān)系。