Device Application Note AN830

AN830
Vishay Siliconix
Vishay Siliconix MOSFET 的额定电流
作者:Spiro Zefferys 和 Dave MacDonald
摘要
Vishay 采用三种方式确定 MOSFET 的连续漏极电流(ID)额
定值。这些值记录在数据表第一页的 “绝对最大额定值”表
中,作为设计人员的参考以确定该器件的应用是否正确。该
值的计算可以采用通用的方法。不过,由于每个 PCB 版图和
设计都不同,每个 MOSFET 的结构也不同,因此,没有通用
的流程可用来计算每个应用的最大允许电流。 Vishay 提供的
数值都是在既定条件下得出的,设计人员可根据这些值对特
定应用中的 MOSFET 的性能进行建模。
请注意,下述方法是用来计算最大允许连续直流电流。该值
不能应用于采用脉冲电流 (具有高峰值电流)的直流 - 直流
转换器。对于这类应用,必须计算出均方根电流(IRMS),然
后与数据表 (IRMS << ID MAX)中的 ID 额定值进行比较。
IRMS 的计算公式在大多数的功率电子文章中都可找到。此
外,必须将导通或关断时出现的高瞬时尖峰电流与 SOA 曲线
进行比较,确定这种尖峰电流是否会损坏 MOSFET。
确定 ID 额定值的公式法
确定 ID 的第一种方式是采用下述标准电流计算法。在该公式
中,TJMAX 是数据表中规定的最大结温(150 ℃或 175 ℃),
而 TA 是保持 MOSFET 稳态运行时允许的最大环境温度。
rDS(on) 是在特定的温度和驱动电压 (如 4.5 V 或 10 V)条件
下的最大导通电阻的额定值,RthJA 是数据表中规定的 MOSFET
的稳态情况下结到外部的热阻。
ID
符号
VDS
VGS
连续漏极电流 (TJ = 150 ℃ )a
脉冲漏极电流
雪崩电流
TA = 25 ℃
TA = 70 ℃
ID
L = 0.1 mH
IDM
IAS
IS
连续源极电流 ( 二极管传导 )a
TA = 25 ℃
TA = 70 ℃
最大功耗 a
PD
TJ, Tstg
工作结温和存放温度范围
TJMAX
- TA
rDS (on) R thJA
下例以 Si7884DP 为基础,其采用 PowerPAK® SO-8 封装的
40V MOSFET。
绝对最大额定值 除非另有说明,否则 TA = 25 ℃
参数
漏源电压
栅源电压
=
b,c
焊接建议 ( 峰值温度 )
10 秒
稳态
40
单位
V
± 20
20
16
12
10
50
30
A
4.7
1.7
5.2
3.3
1.9
1.2
- 55 至 150
260
W
℃
热阻额定值
参数
最大的结到外部热阻 a
最大结到管壳 (漏极)热阻
Document Number 74049
07-May-07
符号
t ≤ 10 秒
稳态
稳态
RthJA
RthJC
典型值
19
52
1.2
最大值
24
65
1.8
单位
℃ /W
www.vishay.com
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AN830
Vishay Siliconix
从 “绝对最大额定值”表,我们获得以下值:
参数
TJMAX
TA
RthJA MAX
值
150 ℃
25 ℃
65 ℃ /W
10V 时的 rDS(on) MAX (温度
0.0126 Ω
条件)
备注
最大结温;请注意某些器件的额定值为 175 ℃
环境温度;和 RthJ-A 一起使用
稳态条件下的最大值
利用 0.007 Ω x 1.8 计算出该值; 0.007 Ω来自数据表的 “电气特性”部分; 1.8 是计算
高温条件下导通电阻 rDS(on) 额定值的典型系数;实际曲线可在数据表的 “典型性能曲线”
部分找到。
ID = SQR ROOT OF (150-25)/(0.007x1.8)x65 = 12 A
确定 ID 额定值的测量法
“绝对最大额定值”表规定在 TA 为 25 ℃条件下, ID 稳态值
为 12A。该公式还可用 RthJC 代替分母 RthJA。数据表提供的
RthJC 值是最佳热阻值,而 RthJA 值通常更能代表实际电路板
版图情况。因此,设计者可计算出一个范围,确定器件工作
的界限。Vishay 通常提供 RthJA 值,以 FR4 电路板(用 2 oz
或更多的铜为焊盘)上的 1 英寸 X1 英寸的 PCB 面积为基础,
确定最差条件值。由于在当今大多数的电路板设计中, PCB
版图甚至会采用更小的规则,计算出每个可能设计的值是不
切实际的,因此, Vishay 采用标准的 1 英寸 X1 英寸条件来
计算 RthJA 额定值。
该公式也可写成 TJ = TA + ID² x rDS(on) x RthJA, 得出的结果相
同;不过,这种方法便于更加轻松地了解工作时的动态变化
情况。
ID² x rDS(on) 可计算出功耗(W)。RthJA 的单位是 ℃ /W。功
率与热阻乘积的单位为℃,因为瓦特 (W)被抵消了。将该
值加到单位同样为℃的 TA 上,会使结温(TJ)升高。只要该
值低于最大额定值 (例如 150 ℃),所设计器件的结温就会
位于 MOSFET 安全工作范围之内。通常情况下,设计工程师
会采用小于最大结温的值,例如相当于最大结温的 80 %,以
便设计器件的结温不会接近最大值。这是一种很好的做法,
Vishay 建议采用这种方式。
确定 MOSFET 的最大 ID 额定值的第三种方法是通过给器件
施加大电流直至击穿,使器件损坏来获得。这种方法通常用
于确定脉冲漏极电流值 (IDM),但也可用于确定连续电流额
定值。
如果采用这种方法, MOSFET 将达到饱和状态,不会再有更
多的电流通过该器件。在典型尺寸样品器件上测量该值后,
该额定值将作为数据表中的额定值 (带有安全裕度) 。该安
全裕度可达到 50%。
结论
有三种方法可用于确定 Vishay MOSFET 产品的 ID 额定值:
公式、封装限制和实际测量。数据表提供的数值是基于这三
种方法得出的极限值。不同应用的条件可能不尽相同,但可
成为设计人员了解器件限制条件的出发点。遵守相关限制要
求,将有助于设计师确保 MOSFET 以鲁棒而可靠的工作状态
在工作范围内良好的运行。
确定 ID 额定值的封装限制法
确定 MOSFET ID 额定值的第二种方法是确定封装可耐多大的
电流。这是在 “绝对最大额定值”表中输入额定值之前采取
的下一步。使用标准电流计算法得出电流值后,工程师将确
定封装是否能够经受这么高的电流。对导通电阻 rDS(on) 额定
值较高的 MOSFET 而言,通常采用公式计算法就足够。不
过,对于通态电阻 rDS(on) 额定值超低的 MOSFET 而言,算
出的值通常会高于 MOSFET 封装的电流处理能力。
MOSFET 封装最薄弱的部分是将硅晶片与引线框键合在一起
的引线。根据引线的材料和引线的数量,可确定引线承载电
流的值。如果电流超过该值,引线就会熔化,导致整个器件
出现毁灭性的损坏。为强化封装的这部分,利用引线夹代替
引线。引线夹通常具备更强的电流承载能力,因为其金属用
量更多。不过,可根据硅晶片的尺寸选用不同的引线夹,这
意味着电流处理能力也会发生变化。除依据数据表中的最大
ID 额定值,没有其他参考值。如果额定值低于设计人员计算
出的值,封装处理能力应计入额定值。
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Document Number 74049
07-May-07
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