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被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

2019-05-22 10:38 来源:互联网 编辑:Angelina

看到这个问题,可能有些工程师会问:多少伏的功率MOSFET,耐压BVDSS不就是多少伏吗?这里面还有什么被忽略的内容?细节决定技术,今天小编就带大家研究一下功率MOSFET数据表中BVDSS所隐藏的一些有意思的细节,来理解这个参数所设定的含义。

数据表中漏源击穿电压BVDSS通常定义为漏电流为250uA时漏极到源极的电压,漏极到源极的漏电流表示为IDSS。数据表中标称BVDSS电压是在栅极和源极S短路、25℃的工作温度、漏极和源极不发生雪崩击穿时,所能施加的最大的额定电压,测试的电路如图1所示。关于雪崩击穿问题将在雪崩能量的相关章节专门的讨论。

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

图1:BVDSS测试电路

功率MOSFET的耐压由结构中低掺杂层的外延层epi厚度N-决定。功率MOSFET的N+源极和P-体区形成的结通过金属物短路,从而避免寄生三极管的意外导通。当栅极没有加驱动电压时,功率MOSFET通过反向偏置的P-体区和N-的epi层形成的PN结承受高的漏极电压。在高压器件中绝大部分电压由低掺杂的epi层来承受:厚的、低掺杂的epi层可以承受更高的击穿耐压,但是增加了导通电阻。

在低压器件中,P-体区掺杂程度和N-的epi层差不多,也可以承受电压。如果P-体区的厚度不够,高掺杂太高,耗尽区可以由通孔达到N源极区,从而降低了击穿电压值。如果P-体区的厚度太大,高掺杂不够,沟道的电阻和阈值电压将增大。因此需要仔细的设计P-体区、epi掺杂和厚度以优化其性能。

在MOSFET数据表中标有测试条件,当测试条件不同时,结果会不同,如下图所示,标出了5个不同的产品的测试条件。标明测试条件的原因在于,当不同的操作者在不同的时间进行测试时,结果是可以重复的,这也是研发工程师编写测试结果和报告的时候,一个最基本的要求。

从表中看到区别了吗?5个不同的产品,测试条件ID的值,有的用250uA,有的用1mA,有的甚至有用10mA。有一次和深圳航嘉工程师交流时候,一位非常有经验的采购工程师吴夏,也注意到这个问题。那么,为什么会采用不同的测试条件?

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

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测量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加电压时,从原理上相当于内部的寄生二极管工作在反向特性区,如图所示,当测试的IDSS值越大,所得到的BVDSS电压值越高。因此使用不同的测试标准时,实际的性能会有较大的差异,也就是当改用更大的测试电流的时候,所得到的名义电压更高,到这里大家明白了为什么有些公司会采用不同的测量规范,那么这种方法会被认同吗?

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

图2:二极管反向特性区


漏源极击穿电压BVDSS有正温度系数,温度增加,BVDSS也增加。因为随着温度的升高,晶格的热振动加剧,致使载流子运动的平均自由路程缩短。因此,在与原子碰撞前由外加电场加速获得的能量减小,发生碰撞电离的可能性也相应减小。MOSFET耐压的测量基于一定的漏极电流,温度升高时,为了达到同样的测量漏极电流,在这种情况下,只有提高反向电压,进一步增强电场,才能达到要求的测试电流值。所以,表面上看起来,温度增加,测量得到的耐压也相应的提高。

温度系数不同公司的标注方法也不同,如下图所示,有些公司直接在表格中列出数值,有些公司使用图表。同样可以看到,测试条件也不同,测量时ID的值有的用250uA,有的用1mA,同样的,不同测试条件结果也会不一样,那么大家认为测试时采用的IDSS越大还是越小,温度系数越小呢?

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

BVDSS具有正的温度系数,温度高,功率MOSFET的耐压高,那是不是表明MOSFET对电压尖峰有更大的裕量,更安全?由于MOSFET损坏的最终原因是温度,更多时候是芯片内部局部单元的过温,导致局部的过热损坏,在芯片整体温度提高的条件下,MOSFET更容易发生单元的热和电流不平衡,从而导致损坏。

在实际应用中,应该基于系统最恶劣条件下来考虑击穿电压。选择漏源极电压BVDSS的基本原则为:在实际工作环境中,在动态的极端条件下,瞬态的电压峰值不要超过MOSFET的额定值。有些客户的要求,最大的峰值漏源极的电压最多不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的90%。有时候一些用户会采用更低的、80%的降额要求。

另外,在测量MOSFET的DS的电压时候,要保证正确的测量方法。

(1)如同测量输出电压的纹波一样,所有工程师都知道,要去除示波器探头的帽子,直接将探头的信号尖端和地线接触被测量位置的两端,减小地线的环路,从而减小空间耦合的干扰信号。

(2)带宽的问题,测量输出电压纹波的时候,通常用20MHZ的带宽,但是,测量MOSFET的VDS电压时候,用多少带宽才是正确的测量方法?事实上,如果用不同的带宽,测量到的尖峰电压的幅值是不同的。具体原则是:

①确定被测量信号的最快上升Tr和下降时间Tf;

②计算最高的信号频率:f=0.5/Tr,Tr取测量信号的10%~90%;f=0.4/Tr,Tr取测量信号的20%~80%;

③确定所需的测量精确度,然后计算所需的带宽。

被忽略的细节:理解MOSFET额定电压BVDSS

例如:在波形中,被测量信号最快的下降时间为2ns(10%~90%),判断一个高斯响应示波器在测量被测数字信号时所需的最小带宽:

fB=0.5/2ns=250MHz

若要求3%的测量误差,所需示波器带宽:

fB =1.9*250=475MHz

若要求20%的测量误差:所需示波器带宽:

fB =1.0*250=250MHz

因此,决定示波器带宽的重要因素是:被测信号的最快上升时间。注意:示波器的系统带宽由示波器带宽和探头带宽共同决定。

高斯频响的系统带宽:( 示波器带宽2 +探头带宽2)1/2/2

最大平坦频响系统带宽:min(示波器带宽,探头带宽)

标签: MOSFET BVDSS

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