这28个MOSFET应用问答，工程师随时可以用得上！

电源

近年来，作者走访过很多客户，结识了大量的在一线从事电源设计和开发的工程师，在和他们的交流过程中，也遇到过许多技术的问题，然后大家一些分析这些问题产生的原因，并找到相应的解决方法。在这个过程中，我遇到过困惑迷茫，也体验过成功喜悦，并和许多工程师成有为朋友，他们是我人生路的最坚实的快乐和财富，他们一直鼓励我，将遇到的许多经验分享出来，现在整理一些功率 MOSFET 典型的应用问题，希望对广大的电子工程师有所帮助。

问题 1：在功率 MOSFET 的应用中主要考虑哪些参数？在负载开关的应用中，如何计算其导通时间？PCB 的设计，铜箔面积开多大会比较好？D、S 极的铜箔面积大小是否需要一样？有公式可以计算吗？

回复：MOSFET 主要参数包括 BVDSS，RDS(on)，Crss，Coss 以及 VGS(th)；同步 BUCK 变换器的下管、半桥和全桥电路，以及有些隔离变换器副边同步整流管还要考虑内部二极管反向恢复等参数，要结合具体的应用。下面波形为感性负载功率 MOSFET 开通的过程。

功率 MOSFET 的开通过程，参考文献：

基于漏极导通区特性理解 MOSFET 开关过程，今日电子：2008.11

理解功率 MOSFET 的开关损耗，今日电子：2009.10

功率 MOSFET 的开关损耗：开通损耗

理解功率 MOSFET 的开关过程

VGS(th)和 VGP 在功率 MOSFET 的数据表中可以查到，有些数据表中没有标出 VGP，可以通过计算得到平台的电压值。产生开通损耗的时间段为 t1-t2 和 t2-t3，t0-t1 时间段不产生开通损耗但是会产生延时。

在负载开关的应用中，要保证在 t3 时间后，输出电容充电基本完成，就是电容的电压基本等于输入电压，在这个过程中，MOSFEGT 工作在线性区，控制平台的电压 VGP，就相当于控制了最大的浪涌电流，浪涌电流就不会对系统产生影响。因此导通时间要多长，由输出的电容和负载的大小决定。

具体的计算步骤是：设定最大的浪涌电流 Ipk，最大的输出电容 Co 和上电过程中输出负载 Io。如果是输出电压稳定后，输出才加负载，则取：Io=0。由下式可以算出输出电容充电时间 t。


负载开关的应用通常在 D 和 G 极并联外部电容，因此 t2-t3 时间远大于 t1-t2，t1-t2 可以忽略，因此可以得到：t=t2-t3，由公式可以求出 D 和 G 极并联的外部电容值。然后由上面的值对电路进行实际的测试，以满足设计的要求。

负载开关的稳态功耗并不大，但是瞬态的功耗很大，特别是长时间工作在线性区会产生热失效问题。因此 PCB 的设计，特别是贴片的 MOSFET，要注意充分敷设铜皮进行散热。在 MOSFET 的数据表中，热阻的测量是元件装在 1 平方英 2OZ 铜皮的电路板上。Drain 的铜皮铺在整个 1 平方英寸 2OZ 铜皮的电路板。实际应用中，Drain 的铜皮不可能用 1 平方英 2OZ 铜皮的电路板，只有尽可能的用大的铜皮来保证热性能。具体的降额值可能值可以参见以下的图。如果是多面板，最好 D 和 S 极对应铜皮位置的每个层都敷设铜皮，用多个过孔连接，孔的尺寸约为 0.3mm。



SO8 标准热阻：RθJA=90C/W，RθJC=12C/W。SO8 铜皮封装热阻：RθJA=50C/W，RθJC=2.5C/W。

问题 2：功率 MOSFET 的 Qgs，Qgd，Ciss，Crss，Coss，tr 和 tf 的关系？

回复：如下图，在一定的测试条件下，Qgs 与 Ciss 相关，Qgd 与 Crss 相关，Qg 与 Crss，Ciss 都相关，驱动的电压决定其最终的电荷值。Qgs 和 Qgd 都是基于相关的电容的计算值。

上升和下降的延时和 Crss、Ciss 都相关，测量条件是阻性负载。如果是感性负载，电感电流不能突变，那么由于电感的续流，这个时间就和负载的特性相关。

上升延时 tr：上升延时的定义是在 MOSFET 的开通过程中，VGS 的电压上升，从其 10%值开始，到 VDS 下降到为 10%VDS 值为止。在开通的过程中，VGS 上升米勒电容平台前的时间由 Ciss 决定，米勒电容平台的时间 Crss 由决定，过了米勒电容平台到 VDS 下降到为 10%VDS 的时间又由 Ciss 决定。下降延时 tf 和 tr 定义类似。

功率 MOSFET 的栅极电荷特性和阻性开通过程，参考文献：

功率 MOSFET 的栅极电荷特性

功率 MOSFET 的阻性负载开关特性

问题 3：AOD4126 的数据表中，红色标注的 ID、IDSM、IDM 有什么区别？PD 和 PDM 的值是否有标错？另外关于 RθJA 和 RθJC，作为用户要按照备注中的哪一项判定？对于同样规格的 MOSFET，双通道和单通道相比，优势在哪里？是不是简单的 RDS(on)减半、ID 加倍等参数合成？

回复：MOSFET 的数据表中，ID 和 IDSM 都是计算值，ID 是基于 RθJC 和 RDS(on)以及最高允许结温计算得到的，IDSM 是基 RθJA 和 RDS(on)以及最高允许结温计算得到的，PD 和 PDM 也是基于上述条件的计算值。

计算的时候取 TC=25C，而实际应用中很多时候 TC 超过 100C，而且由于器件所用的散热条件不一样，在开关过程中还要考虑动态参数，所以基于电流降额选用 MOSFET 没有意义，ID 没有实际的意义。

RθJA 和 RθJC 是二个不同的热阻值，具体的定义在数据表中有详细的说明，数据表中的热阻值都是在一定的条件下测量得到的，实际应用过程中由于条件不同，得到的测量结果并不相同。

使用双通道和单通道的 MOSFET，要综合考虑开关损耗和导通损耗，RDS(on)不是简单的减半，因为二个功率管并联工作，不平衡性的问题永远存在，而且动态的开关的过程中容易产生动态的不平衡。如果不考虑开关损耗，仅仅考虑导通损耗，那么还是要对 RDS(on)作一定的降额。

功率 MOSFET 的电流定义，参考文献：

功解功率 MOSFET 的电流，今日电子：2011.11

理解功率 MOSFET 管的电流

功率 MOSFET 的热阻特性

问题 4：不同的测试的条件为影响 MOSFET 的数据表中的 VGS(th)和 BVDSS 吗？ATE 是如何判断的？

回复：不同测试条件结果会不同，因此在数据表中会标明详细的测试条件，从而使测试结果具有可重复性。对于 AET 的测试，以 VGS(th)为例，它和 Igss 相关，如 AON6718L，当 G 和 S 极加上最大 20V 电压，VDS=0V，Igss 小于 100nA 就表明通过测试。

不同的公司 ST、Fairchild、IR、Vishay 等，可能使用不同的 Igss，如 IR1010 使用 200nA，IR3205 使用 100nA，目前行业内使用 100nA 更通用。BVDSS 的测试条件：ID=250uA, VGS=0V，有些公司使用 350uA、500uA 甚至 1mA，如果 ID 越大，BVDSS 电压值越高。

功率 MOSFET 的具体测试条件，参考文献：

被忽略的细节：理解 MOSFET 额定电压 BVDSS

理解 MOSFET 的 VTH：栅极感应电压尖峰，会导致直通损坏吗？

电源系统低温不开机，你遇到过吗：理解 VTH 温度系数

问题 5：一个 100V 的 MOSFET，VGS 耐压大概只能到 30V。在器件处于关断的时刻，VGD 大概能到 100V，是因为 G 和 S 极间的栅氧化层厚度比较厚，还是说压降主要在沉底和飘移电阻上面？

回复：G、S 的电压主要由栅氧化层厚度控制，G、D 的电压主要由外延层 EPI+层厚度来控制，所以 VGD 耐压高。

问题 6：关于雪崩，下面描述是否正确？

1、单纯的一次过压不会损坏 MOSFET？

回复：很多时候就是测 1 千片，或者 1 万片，电压高于额定的电压值，MOSFET 也不会损坏，功率 MOSFET 具有一定的抗雪崩能力。

2、雪崩损坏 MOSFET 有两种情况：一种是快速高功率脉冲，直接使寄生二极管产生较大雪崩电流，芯片快速加热过温损坏。另一种是寄生三极管导通，并发生二次击穿？

回复：是的，特别是新一代工艺的 MOSFET，基本上是后一种损坏方式：寄生三极管导通。寄生三极管的导通，发生二次击穿并不全是因为雪崩发生，还可能由于 dv/dt 过高的原因而导致。

3、雪崩损坏都发生在 VDS 大于额定值的情况？

回复：是的。但是在高温条件下，一些大电流的关断，可能在关断过程中，发生寄生三极管导通而损坏，虽然看不到过压的情况，但是作者仍然将其定义为雪崩 UIS 损坏。

4、关于（2）中两种情况，什么情况下倾向于第一种发生，什么情况下倾向于第二种发生？

回复：如果单元非常一致，散热非常好均匀、热平衡好，第一种情况发生，早期的平面工艺有时候就会看到这种损坏模式。现在新的工艺导致单元的密度越来越集中，产生的损坏通常用就是第二种。

体内寄生三极管导通产生雪崩损坏，同时伴随着体内寄生三极管发生二次击穿，此时集电极电压在瞬态时间 1-2 个 n 秒内，减少到耐压的 1/2，原因在于内部耗尽层载流子发生雪崩注入，电场电流密度很大，接近硅片临界电场。电流大，电压高，电场大，电离强，大量的空穴电流流过基区 P 体电阻 RB，寄生三极管导通，集电极电压快速返回到基极开路时的击穿电压。增益大时，三极管中产生雪崩击穿，此耐压值低。

三极管中产生雪崩注入条件：电场应力，正向偏置热不稳定性。

MOSFET 关断时沟道漏极电流减小，感性负载使 VDS 升高，以维持 ID 电流的恒定，ID 电流由沟道电流和位移电流组成。位移电流是体二极管耗尽层电流，和 dV/dT 成比例。VDS 升高和基极放电、漏极耗尽层充电速度相关。漏极耗尽层充电速度和电容 Coss、ID 相关。ID 越大，VDS 升高越快。漏极电压升高，体二极管雪崩产生载流子，全部 ID 电流雪崩流过二极管，沟道电流为 0。

功率 MOSFET 的 UIS 特性，参考文献：

理解功率 MOSFET 的 UIS，今日电子：2010.4

很多的工程师问这样的一个问题：如果说 UIS 的雪崩损坏时电压通常会达到耐压值的 1.2~1.3 倍，可以明显看到电压有箝位，通俗说法就是波形砍头，那么对于一个 100V 的器件工作在 105V 或者 110V 是否安全？如上所述，100V 的器件加上 110V 的电压不会损坏，那么安全的原则是什么呢？

对于设计工程师来说，所要求的就是在最极端的条件下设计的参数有一定的裕量，也就是从设计的角度来说保持系统的安全和可靠性，永远都排在最优先的位置。因此笔者建议的原则是：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。

问题 7：关于 Trench MOS 的 SOA, 听说 MOSFET 在放大区有负温度系数效应，所以容易产生热点。这是否就是 MOSFET 的二次击穿，但是，看资料 MOSFET 的 RDS(on)是正温度系数效应，不会产生二次击穿。这一点，一直都没有了解过，能否指点一下，后面再请教详细情况。

回复：平面工艺和 Trench 工艺的 MOSFET 都有这个特点，这是 MOSFET 固有特性。RDS(on)的正温度系数效应是在完全导通的稳态的条件才具有这样的特性，可以实现稳态的电流均流。

MOSFET 在动态开通的过程中会跨越负温度系数区进入到完全开通的正温度系数区；在关断过程中跨越完全开通的正温度系数区进入负温度系数区。只是因为平面工艺的单元密度非常小，产生局部过流和过热的可能性小，因此热平衡好，相对的，动态经过负温度系数区时抗热冲击好。通常在设计过程中要快速的通过此区域，减小热不平衡的产生。

功率 MOSFET 的 RDS(on)特性，参考文献：

理解功率 MOSFET 的 RDS(on)温度系数特性，今日电子：2009.11

应用于线性调节器的中压功率功率 MOSFET 选择，今日电子：2012.2

功率 MOS 管 RDS(on)负温度系数对负载开关设计影响，电子技术应用：2010.12

理解功率 MOSFET 的 RDS(on)负温度系数特性

问题 8：关于寄生二极管和三极管，如下理解是否正确？下图中，S 极并没有和 P 型层直接接触，那么就不存在寄生二极管，只有寄生三极管。但是这个三极管很容易误导通，所以将 P 型层也直接连到 S 级，以消弱三极管效应。那么此时就体现为明显的寄生二极管？

回复：是的，上述的理解是正确的，目前功率 MOSFET 的 S 极都和 P＋连接在一起，很少用图中这样不连接的结构。主要的原因在于：对于内部寄生的三极管，S 极和 P＋连接在一起相当于基级和发射级短路，不连接在一起相当于开路，三级管的 VCBO>>VCEO，从而提高功率 MOSFET 的耐压，这样的内部连接也导致内部的寄生二极管功能连接到外部电路。

问题 9：关于米勒电容 Crss，在文档 MOSFET 的动态参数中，有公式如下参考图片，Crss 电容是栅极通过氧化层对漏极的电容，对于开关过程，在第 2 阶段，沟道打开后，Ciss 为什么增加了，是什么原因？另外，AON6450 规格书上的测试条件是 VDS=50V 的情况，这个测试的条件基于什么原因？是否可以给出其它条件下的电容值？

回复：Ciss 增加的原因是 Crss 增加，图中器件导通后，Wdep 减小，Crss 就增加。对于一个 100V 的器件，比如 AON6450，由于在米勒平台区，极限的情况 VGD 将从 100V 降到 10V 以内。

Coss、Crss 都是动态电容，容值随着 VDS 而变化，而且不是线性关系。数据表中所采用的测试条件，是行业通常采用的标准，以 50%的 VDS 测试。如果客户有特殊要求，可以提供 80%或 100%的数据。

功率 MOSFET 的电容特性，参考文献：

理解功率 MOSFET 的寄生电容

理解功率 MOSFET 的 Coss 产生损耗

问题 10：功率 MOSFET 的 SOA 曲线如何得到的，可以用来作为设计的安全标准吗？

回复：任何一家公司的 SOA 曲线上，主要有 3 部分组成：电阻限制区、几条由脉冲功率限制的电流电压直线和最大电压直线。最大电压值就是数据表中的额定值。几条由脉冲功率限制的电流电压直线，实际上是计算值，就是基于数据表中的瞬态热阻、导通电阻以及最大的允许结温计算得到的，而且都是基于 TC=25 度，TC 代表的是封装裸露铜皮的温度，在实际应用中，TC 的温度远高于 25 度，因此，SOA 曲线是不能用来作为设计的验证标准。

功率 MOSFET 的 SOA 定义，参考文献：

功率 MOSFET 安全工作区 SOA：真的安全吗？

问题 11：VGS 大于 VGS(th)，MOSFET 导通，MOSFET 刚进入米勒平台，是否就算达到了饱和？如果是这样，此时停止向 G 极供电，假定忽略栅极氧化层的漏电，这时 VDS 会一直维持比较高压降吗？感觉有点不可思议，因为其饱和以后，RDS(on)已经降了下来。如果说没有饱和，也感觉说不过去，RDS(on)和 VGS 有关，达到 10V 以后，RDS(on)已经很小了，压降也应该降下来。如果说压降自动会降下来，那不是说米勒平台后期的充电没有什么用？

回复：VGS 大于 VGS(th)时 MOSFET 开始导通，此时电流非常小，从开通到其刚进入米勒平台，MOSFET 都工作在放大区，而且器件都没有完全导通，此时 MOSFET 导通电阻非常大，D 极的电压由整个 MOSFET 承受，因此电流较小，电流乘上电阻也等于 VDS 值，也就是 D、S 极所加的电源电压值。

MOSFET 工作在线性区时，和线性电压调节器，也就是 LDO，如 LM7805 的工作原理相同，如：当输入电压为 10V，输出 5V，压降就是 5V；输入电压 12V，输出还是 5V，压降是 7V，MOSFET 相当于调节管，输入电压和输出电压的差值，都由 MOSFET 来承担。到了米勒平台区，电流为系统的最大电流，电流不能再增加，那么，VDS 的电压开始下降，即使是 VDS 的电压下降一点点，所产生的电压变化率也非常大，因此驱动回路的电流，将全部被米勒电容 Crss 所抽取，此时就看到了所谓的“米勒平台”，VDS 的电压在一定的时间内维持一个稳定的值，直到 VDS 完全下降到最小值，VDS 的电压变化率为 0 时才结束米勒平台区。

功率 MOSFET 的开通过程，参考文献：

基于漏极导通区特性理解 MOSFET 开关过程，今日电子：2008.11

功率 MOSFET 的开关损耗：开通损耗

理解功率 MOSFET 的开关过程

问题 12：1、请教一个 AO3401A 的问题：现在使用 AO3401A 的导通电阻 RDS(on)作为隔离电阻，用来缓冲热插入移动硬盘的瞬间冲击电流，防止瞬间把主机芯电压拉低，电路图如下，5V_USB 是插移动硬盘的地方，+5V_Normal 来自主机芯电压。将 VGS 设计在固定的 -1.6V 左右，此时的 RDS(on)大约在 100mΩ左右，插上移动硬盘瞬间的冲击电流由原来的 9A 下降到了 5A 左右，冲击电流持续时间 80 微秒左右，效果很明显，移动硬盘正常工作时电流约 300mA。如果将 VGS 设计在 -2.5V 左右，RDS(on)只有几十 mΩ，对冲击电流的抑制作用不大。这个电路的设计原则是什么？


回复：VGS=-1.6V 时，可以保证 MOSFET 导通，注意要考虑电阻阻值的分散性，在最差的条件下，如果使用电阻的精度为 10％，VGS 电压绝对值：1.3+1.6*20%=1.64V，MOSFET 仍然可以工作。如果电阻的精度为 15％，考虑到 MOSFET 的 VGS(th)电压的分散性，在一定的条件下如低温时，MOSFET 就有可能不工作。而且，VGS(th)电压是负温度系数，温度越低，其值越大。

驱动电压的稳定值要结合输入电压最低值和分压电阻值的精度、VGS(th)和 VGS(th)的温度系数等最极端的条件，来选择合适的分阻电阻的分压比，保证系统的设计要求。PCB 布板设计时，S 和 D 都用大的铜皮连接。如果是多层板，在每层都放上相应大小的的铜皮，用多个 10-15mil 的过孔连接散热。

2、AO3401 的 VGS(th)规格书中标的可以到 -1.3V，设置 VGS=-1.6V，电压绝对值大于 -1.3V，是否该 MOSFET 正常导通，应该没有问题吧？现在损耗并不是考虑的问题，0.03V 的 RDS(on) 的压降对系统没有任何影响。原来使用一个 0.1 欧姆的氧化膜电阻来做隔离的，但是该电阻体积太大，用这个电路的目的就是想替换这个电阻。这个电路中 MOSFET 是在电视机开机后一直导通的，MOSFET 一直导通的状态下来插入移动硬盘的，而不是插入移动硬盘后再打开 MOSFET 的，所以觉得调节 R45/R46/C18 的值不能起到降低冲击电流的作用。希望利用 MOSFET 的恒流区特性来降低冲击电流，如果把 VGS 调整到 -2.5V 以上，对冲击电流的限制作用就非常小了，只能从 9A 降到 8A 左右，这样的做法对 MOS 来说会有问题吗？


回复：上面的电路是利于 MOSFET 在开通过程中，较长时间工作在线性区（放大区，也就是恒流区），从而控制上电时瞬态大负载，如热插拨移动硬盘，因为硬盘带有较大的容性负载，切入瞬间形成较大的浪涌电流。如果 MOSFET 已经导通，后面再插入移动硬盘这样的大容性负载，浪涌电流主要由输出端的大电容来提供，因此 MOSFET 无法限制浪涌电流。

MOSFET 工作在线性区时电阻远大于完全导通的电阻，因此也可以理解为用电阻抑止浪涌电流。通常这种负载开关电路设计时，分压电阻是为了防止 VGS 的最大电压超过额定的最高电压，串联在 G 极的电阻调节 MOSFET 的开通速度。在保证要求的开通速度条件下，VGS 不能超过最大额定电压时，可以适当提高电阻值，这样在正常的工作状态下，MOSFET 完全导通后，减小产生的静态损耗。

功率 MOSFET 的开通过程，参考文献：

基于漏极导通区特性理解 MOSFET 开关过程，今日电子：2008.11

功率 MOSFET 的开关损耗：开通损耗

理解功率 MOSFET 的开关过程
3、在 AO3401 规格书的第 1 页有写 operation with gate votages as low as2.5V，是否是要求 G 极电压必须大于 2.5V? VGS 必须小于 -2.5V？设计 VGS=-1.6V 有没有问题？如果继续加大 VGS 到 -1V 呢？是不是 VGS 的大小没有关系，只要保证 RDS(on)产生的功耗不要导致 MOSFET 过热就行，是否正确？

回复：不能那么认为，这句话的含义是：AO3401 可以工作在 VGS＝-2.5V，此时导通电阻约为 120mOhm。如果 VGS 电压太小，低于阈值电压 VGS(th) ，AO3401 可能无法完全开通，无法正常工作。还是建议将 VGS 设计在 -2.5V 以上，如 -3.5V 左右，通过调节（增加）R45/46 和 C18 来降低冲击电流。

问题 13：使用如下电路，用 CPU 的 GPIO 口直接控制一个 MOSFET 管，MOSFET 作为后端负载的开关，这种应用有什么风险？

回复：检查 VCC 以及 MR34/MR35 分压后的电压值 VGS，VGS 绝对值要比 MQ1 的 VGS(th)高才能保证 MOSFET 完全打开，否则后面的系统可能不工作；同时检查 GPIO 口的驱动能力，是否满足驱动的要求。如果很小，最好用 GPIO 口驱动一个三极管的 B 极，三极管的集电极 C 下拉 MOSFET 的 G 极。

由实际的浪涌电流再调整 MC11 值，以及 MR34/MR35 值。在 PCB 设计时，MQ1 的 D，S 用大铜皮连接，如果多层板，在多个层放铜皮，用多个过孔分别进行连接。

问题 14：想请教一个有关 MOSFET 的关断时 DS 电压振荡的问题，在同一个电路上测试了两个不同厂商的 30V 的 MOSFET，得到了关断时不同的 DS 电压波形，如下图。可以看到器件 1 的尖峰较高，但是振荡抑制的很快；器件 2 的尖峰较低，但是振荡抑制的较慢。因为是在同一块 PCB 上测量的，所以电路的寄生电感，电阻等参数是不变的，现在只有器件不同。这种尖峰是电路上的寄生电感和 MOSFET 的电容谐振引起，但是不明白具体是这两个器件哪个参数的差别，会使得这种振荡表现这么不同。是否能够从器件数据的某些参数对比来选择一款实际应用峰值较低，振荡又能快速消除的 MOSFET 呢？

回复：这样的振荡波形，对于一个电源的工程师来说，经常看到，在这里首先谈一下测量方法的问题：

（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。

在上图波形中，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：f=0.5/2ns=250MHz。若要求 3%的测量误差：所需示波器带宽=1.9*250MHz=475 MHz；若要求 20%的测量误差：所需示波器带宽=1.0*250MHz =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)

VDS 的振荡波形由 PCB 寄生回路电感和 MOSFET 的寄生电容形成高频谐振而产生的，在寄生电感值一定的条件下，寄生电容越小，振荡的频率越高，幅值也越高，同时振荡的幅值和回路的初始电流值相关。

特别注意的是：寄生电容 Coss 不是线性的，随着电压的增大而减小，因此可以的看到波形振荡的频率并不是固定的。VDS 的高频振荡是无法消除的，增加 Coss 或在 D、S 极外部并联电容，可以降低振荡的频率和幅值，Snubber 电路也是利用这个原理，抑制电压的尖峰。

问题 15：功率 MOSFET 的耐压为什么是正温度系数？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，MOSFET 更安全？

回复：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。在这种情况下，只有提高反向电压，进一步增强电场才能发生雪崩击穿，因此雪崩击穿电压随温度升高而提高，具有正的温度系数。

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，只有提高电压，表面上看起来，测量的耐压提高了。但是 MOSFET 损坏的最终原因是温度，更多时候是局部的过温，导致局部的过热损坏，在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。

问题 16：使用下图的电路，进行不同电平信号间的转换，VCC_SIM=5V，SIM_DATA、SIM_CARD_I/O 属于 I/O 双向传输。SIM_DATA 为输入信号，可以理解：SIM_DATA 为高时，Q7 截止，SIM_CARD_I/O 接收为 5V 信号；SIM_DATA 为低时，Q7 导通，SIM_CARD_I/O 接收为低电平信号。当 SIM_DATA 为输出信号时，如何理解 SIM_CARD_I/O 输入为低电平信号？

回复：功率 MOSFET 的电流可以从 D 到 S，也可从 S 到 D，只是从 S 到 D 是不可控的，此时体内寄生的二极管导通。当功率 MOSFET 作同步整流管时候，通常也是寄生二极管先导通，然后栅极信号驱动 MOSFET 的导通：沟道导通，用以减小导通损耗。

SIM_DATA 为输出信号时，SIM_CARD_I/O 为低电平，Q7 体内寄生二极管导通，信号 SIM_DATA 也拉低，接收低电平信号。SIM_CARD_I/O 输出高电平 5V 时，Q7 体内寄生二极管截止，信号 SIM_DATA 上拉到 3.3V，接收高电平信号。

问题 17：超结型高压功率 MOSFET 的 UIS 雪崩能力为什么比平面工艺低？

回复：超结结构穿透到底部的 P 区，增加工艺的复杂程度，很难完全控制中间耗尽层和横向电场的对称性，容易发生局部的电场集中。

超结功率 MOSFET 的工作原理，参考文献：

基于漏极导通区特性理解 MOSFET 开关过程，今日电子：2008.11

高压超结 Super Junction 结构及工作原理

问题 18：功率 MOSFET 的损坏模式有那些？如何判断 MOSFET 的损坏方式？

回复：主要有 ESD、过压、过流和过温的损坏。

功率 MOSFET 的损坏方式，参考文献：

开关电源中功率 MOSFET 损坏模式及分析，电子技术应用：2013.3

问题 19：功率 MOSFET 的数据表中 dv/dt 为什么有二种不同的额定值？如何理解体二极管反向恢复特的 dv/dt？

回复：在反激电源中，原边主开关管关断过程中，VDS 的波形从 0 开始增大，因此产生一定的斜率 dv/dt，同时产生电压尖峰，就是寄生回路的电感和 MOSFET 的寄生电容振荡形成的。这个 dv/dt 会通常通过米勒电容耦合到栅极，在栅极上产生电压，如果栅极电压大于阈都电压，MOSFET 会误导通产生损坏，因此要限制 MOSFET 关断过程中的 dv/dt。

另一种情况就是在 LLC、半桥和全桥电路，以及同步 BUCK 的下管，当下管关断后下管的寄生二极管先导通续流，然后对应的上桥臂的上管开通，二极管在反向恢复过程中也会产生 dv/dt 的问题。通常二极管反向恢复的 dv/dt 额定值，远小于 MOSFET 本身的 dv/dt 额定值。

二极管在反向恢复过程中，如果存储的电荷没有完全清除，二极管也就是下管是不能承受压降的，下管相当于短路，那么在上管开通的过程，电源的电压就只能加在回路的杂散电感上：下管短路，输入电流要急剧增加，回路的杂散电感将限制电流增加，因此电源的电压就只能加在回路的杂散电感上，这个过程持续时间越长，短路电流冲击越大，MOSFET 就可能在二极管的反向恢复过程中发生损坏。至于损坏的是上管还是下管，取决于那个功率的抗冲击能力强。

功率 MOSFET 二极管的反向恢复，参考文献：

理解功率 MOSFET 体二极管反向恢复特性，今日电子：2012.11

问题 20：AOD2922 用于 BOOST 电路 LED 背光驱动器，发现其中有一颗 MOSFET 失效，G、D、S 短路，继续工作一些时间后，D、S 又变成开路，为什么？

回复：开始的失效发生在硅片内部，应该是内部 D、G 击穿，从而导致 G、D、S 短路，继续工作一些时间后，由于大电流的冲击，导致 S 和硅片的连线熔化烧断开，因此，D、S 开路。

问题 21：在应用中会存在米勒平台掉沟的现象，这个掉到开启电压以下是否存在风险？

回复：如果是反激单管工作，DCM 没有影响，如果是反激的 CCM，系统容易不稳定，影响 MOSFET 的安全性。如果是 PFC 的多管并联工作，那么 MOSFET 在开通过程不能很好的均流，损坏的风险很大。

问题 22：在一些应用中常用几个 MOSFET 并联扩流或散热，当用有保护的电源调试系统时不小心电路出了问题时通常只会烧一个管，如何判断是那个 MOSFET 损坏？

回复：用万用表打在电阻挡，检测每个 MOSFET 的 D-G 的电压，红笔接 D，电阻最小的那个 MOSFET 就是损坏的那个。

问题 23：480W 的隔离电源模块中，是原边全桥整流管。模块输入电压 51V~56VDC，额定输出 10.8V，48A。这次坏掉的是一个桥臂上的两颗管子。在应用时因为外围电路异常造成二次侧电流反灌到原边整流管，电流从 Source 流向 Drain 的状态。结合 FA 报告中的 Source 面上的烧毁痕迹，原因分析是电流的 EOS，能否证明是因为电流从 S 往 D 流动造成 source 烧掉？

回复：对于同步整流，输出的反灌电流是最恶劣的一种条件，在设计的过程中要尽可能的减小输出的反灌。

(1) 输出反灌形成输出整流管的雪崩，导到输出同步的整流管损坏，取决于输出同步的整流管的雪崩能力，以及反灌电流形成的负向电流的大小。

(2) 输出反灌电流会影响原边 MOSFET 工作。

当输出形成反向电流的时候，若 Q1、Q2 是一个半桥臂，Q1 为上管，Q2 为下管；Q3、Q4 是另外一个半桥臂，Q3 为上管，Q4 为下管；若不是全桥移相软开关而是 PWM 硬开关工作，由于输出是反向电流，因此当 Q1、Q4 导通前，电流从 Q1、Q4 二极管中流过；当 Q1/4 导通后，会从 Q1、Q4 沟道流过。当副边输出电感的能量足够大时，其原边电流不足以反向，因此 Q1、Q4 关断后电流还得从 Q1、Q4 二极管中流过，经过死区时间后，Q2、Q3 导通。此时由于 Q1、Q4 二极管中流过电流时间长，电流也比较大，而且死区时间短，对于一些 MOSFET 的二极管，反向恢复的时间不是够的，就是 Q1、Q4 体二极管电荷没有完全恢复，这时 Q2、Q3 导通，就会导致上下桥臂直通直到损坏。

至于损坏的是上桥还是下桥，那就看那个管子承受短路的能力更强。是损坏原边还是副边，也看那边管子的能力更强。

-- 对于副边，是大电流关断后的电压雪崩。

-- 对于原边，是二极管反向恢复上下桥直通形成大电流损坏。

(2) 通常二极管也是负温度系数，其导致损坏和开通时过线性区热量的积累导致的损坏形态比较接近，对应着二极管没有完全恢复的 MOSFET 形态。因些对于这个例子，最好的办法，从设计角度来说还是减小输出反灌电流。从器件来说，提高原边 MOSFET 的体二极管的反向恢复特性，可以提高原边器件的安全性，最终的方法还是控制输出反灌电流，才能真正保持系统安全性。

问题 24：MOSFET 的电压测量时候电流是 250uA，而数据表中 IDSS 电流只有几个 uA，为什么？

回复：IDSS 电流小，表明实际的漏电流小于测试规范的要求，因此是合格的。

问题 25：MOSFET 损坏后，阻抗变为一个中间值，有时工作有时不工作，为什么？

回复：通常 MOSFET 损坏后，如果电源没有电流保护，经过更大的电流冲击导致内部的金属线熔化汽化，系统不工作后 MOSFET 冷却下来，熔化汽化的金属凝固，局部的区域连通形成较大的阻抗。MOSFET 通电工作后，这些局部的连通区域又断开，MOSFET 停止工作。有时也会出现这样的现象：冷却凝固后内部的金属断开，通电后金属熔化又导致内部区域连通。

问题 26：测试高压 MOSFET 体内二极管的反向恢复时，IF 越低，Qrr 越大，电压尖峰越高，为什么？

回复：在 MOSFET 的体二极管导通时，电荷在 PN 结积累，当二极管开始承受阻断电压时，这些电荷将被清除。如果 IF 低，PN 结积累的电荷水平低，清除的速度快，dv/dt 就大，C*dv/dt 的偏移电流就大。测试的 Qrr 包括真正的 Qrr 以及 C*dv/dt 相关的少子，因此测试的 Qrr 在 IF 低时就越大。

问题 27：客户用一个外部信号控制 PMIC 的管脚 ID，PMIC 由电池供电，ID 管脚内部由 10M 的电阻上拉后接到电池，当外部信号为 0 时，300K 外部电阻要接到 ID 管脚；当外部信号为 1 时，300K 外部电阻和 ID 管脚断开，如何实现？

回复：使用二个 AON1605，如图，R1 为 PMIC 的 ID 管脚内部上拉电阻，R2 为外部的 300K 电阻，V_driver 为外部的控制信号，V_driver 为 0 时，Q2 关断，Q1 导通，ID 由 300K 电阻下拉接到地。V_driver 为 1 时，Q2 导通，Q1 关断，ID 由内部 10M 电阻上拉接到电池，此时 R3 产生静态损耗。R3 越大，功耗越小。Q1 导通时，Q1 的 S 极电压：3.8V*300K/(10M+300K) =0.11V。

问题 28：请问功率 MOSFET 电容的温度系数是正温度系数还是负温度系数？

回复：功率 MOSFET 的电容在正常的温度范围内<500K 时，不随温度的变化而变化，特别是 Ciss，Cgs 和 Crss(Cgd)。

Coss(Cds+Cgd)由 MOSFET 的 Cgd 和 PN 结电容二者组成，如果温度太高，接近硅的本征温度，本征半导体载流子的浓度增加非常多，PN 结的电容将增加，温度从 300K 增加到 600K 的仿真结果如图。

原文出处：eefocus

訾存贵 · 2020-3-25 13:42:14

学习学习

jf_06390413 · 2020-3-25 19:21:54

好全啊，写的挺好的，学习了

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