深入解读MOSFET关键特性及指标

MOSFET是电子系统中的重要部件，需要深入了解它的关键特性及指标才能做出正确选择。这些关键指标中，以静态特性和动态特性更为重要，本文主要讨论静态特性。

本文选取Nexperia 最新推出的BUK7Y1R7-40H，以官方手册中的数据和图表，作为解读依据。BUK7Y1R7-40H于2017年9月推出，基于最新工艺-Trench9制作，符合AEC-Q101认证。可以广泛应用于12V汽车系统，如EPS，E-Pump等。

静态特性表

VBR(DSS) （漏极 - 源极击穿电压）- 表示在整个MOSFET温度范围内，保证器件在关断状态下阻隔的漏极和源极之间的最大电压。温度范围为-55°C至+175°C。在电压和温度范围内，BUK7Y1R7-40H漏极和源极之间的电流保证低250µA。若器件温度低于+25°C，则该范围VBR(DSS)小于等于40V；若器件温度为+25°C至+175°C，则该范围VBR(DSS)小于等于40V。

关断状态下温度对特性的影响有两方面。漏电流随温度升高而增大，可使器件导通。与漏电流增大一样，击穿电压也随温度升高而上升。

VGS(th)（栅极 - 源极阈值电压）对决定MOSFET的导通和关断状态而言，非常重要。VGS(th)在VDS=VGS 时定义，有时候也会针对固定的VDS值（例如10 V）进行引述。

需要注意，当栅极和漏极短接在一起时，针对特定电流的阈值电压定义与教科书中的示例有所不同。教科书中的参数描述了MOSFET的物理状态变化，与MOSFET芯片尺寸无关。但是，数据手册中使用的参数针对指定电流值，与芯片尺寸有关，因为电流与芯片面积成比例。

数据手册中的阈值电压，以最适合常规测量的方式定义，而不是以实际器件的通常使用方式为准。下图中提供的图形支持该参数。

图1

图2

第一张图显示了典型和限值器件在额定温度范围内的阈值电压变化。所有MOSFET都保证在两条线之间存在阈值电压。

因此，就25°C的BUK7Y1R7-40H而言，若VDS和VGS同时低于2V，则所有同型号器件承受的电流均低于1mA。若VDS和VGS均大于4V，则所有器件承受的电流都超过1mA。175°C时，器件下限下降至1V，上限下降至2.5V。下限值通常更为重要，因为它决定器件何时应保证关断，以及相关应用需要具有多少噪声裕量。

第二张图显示了器件如何在此阈值电压附近导通。对于BUK7Y1R7-40H而言，若栅极电压增加不到1 V，则电流增加100,000倍。示例表示漏极 - 源极电压固定为5V的情况。

IDSS（漏极漏电流）保证器件在其关断状态下的最大额定漏极 - 源极电压时可传输的最大漏电流。务必要注意高温时的IDSS高出多少，这是最坏的情况。

IGSS（栅极漏电流）保证最大泄漏电流通过MOSFET的栅极。计算保持器件导通所需的电流时，IGSS是非常重要的参数。由于该电流是通过绝缘体的漏电流，因此与IDSS不同的是，它与温度无关。

RDS(on)（漏极 - 源极导通电阻）是最重要的参数之一。之前的参数确保器件关断时如何工作、器件如何关断以及预期有多少漏电流。当在电池应用中存在问题时，这些因素都很重要。

RDS(on) 是MOSFET导通时，其闭合开关的性能量度。它是决定含有MOSFET的电路功耗和效率的关键因素。导通电阻 RDS(on) × ID2表示MOSFET在完全导通情况下的功耗。功率MOSFET在导通状态下可承受几十甚至几百安培的电流。

MOSFET中消耗的功率使芯片温度上升至超过底座温度。此外，当MOSFET芯片温度升高时，其RDS(on) 也成比例地上升。建议的最大结点温度为175°C（针对所有Nexperia封装的 MOSFET 而言）。

以 BUK7Y1R7-40H 数据手册为例：

结点（芯片）和底座之间每瓦的 Rth(j-mb) 温度上升值为0.51 K/W (0.51°C/W)。

温度上升150 K（Tmb = 25°C，Tj = 175°C）时，最大功耗 

Pmax = 150/0.51 = 294 W(与手册一致)。

芯片温度(Tj)为175°C时的最大RDS(on) = 3.7mΩ。

MOSFET的RDS(on)取决于栅极-源极电压，并且存在一个较低的数值，低于该值则该参数急剧上升。针对不同的栅极驱动器， RDS(on) 随温度上升的比例也不同。有关电阻如何随温度而上升的典型曲线，如下图：

图3

结语

功率MOSFET广泛应用于工业、消费和汽车领域。特别地，在刹车系统、动力转向系统、小功率电机驱动和引擎管理电路中，MOSFET的地位越来越重要。了解MOSFET的关键参数和电气性能，对于工程师后期的设计，能够起到事半功倍的效果。