温度对MOSFET工作和性能的影响

[导读]我们在一些开关电源中会使用MOSFET去做控制。

我们在一些开关电源中会使用MOSFET去做控制。

但是在手册上我能找的信息，一般只有关键规格、额定值和特性，以帮助您确认器件将按预期运行

但是，我们可能对MOSFET的参数如何变化有疑问，因此在本文中，我将不仅解释数据表中的内容，而且更重要的是，还会解释数据表里没有参数--温度对MOSFET的影响。

2.MOSFET管的数据表

我们以 TI CSD17576Q5B 这个器件的数据表为例。第一页（如图 1 所示）总结了器件功能，分为特性、应用和描述部分，包括 FET 封装的示意图。

第一页还包括产品摘要、参数信息和绝对最大额定值表。

产品汇总表是典型参数的快照，因此我们可以为我们的应用选择合适的 FET。

绝对最大额定值表列出了安全操作的界限，超出该界限，MOSFET 可能会永久损坏。除非另有说明，这些表中的规格和额定值均在环境温度 T A = 25°C 下进行。此外，R DS(on)与 V GS（在 T C = 25°C 和 125°C 的外壳温度下）和栅极电荷的典型性能图也是第一页的一部分。

图 1：CSD17576Q5B NexFET™ 数据表的第一页

数据表的第二页包括目录和修订历史。接下来是规格表、电气特性和热信息，然后是显示典型 MOSFET 特性的图表。然后是关于设备和文档支持的部分。数据表的最后一部分包括机械、包装和可订购信息。除非另有说明，所有规格和额定值均在环境温度下，T A = 25°C。

温度依赖性

绝对最大额定值表中的一些 FET 规格与温度有关，包括漏源电压 (V DS )、连续漏电流(I D )、脉冲漏电流(I DM ) 和功耗 (P D）。最大 V GS额定值保证在操作期间没有栅极氧化层击穿并且与温度无关。雪崩能量 (E AS ) 在 T C = 25°C 和 T C = 125°C 的情况下进行测试，典型 MOSFET 特性图中的相应图表显示 E AS在升高的温度下降低。

静态特性

电气特性表分为静态、动态和二极管特性，如图2所示。下面我们来看看静态特性部分的温度相关FET参数：漏源击穿电压（BV DSS）的温度变化)、漏源漏电流 (I DSS )、栅源漏电流 (I GSS ) 和跨导 (g fs ) 不包括在数据表图表中。典型的 MOSFET 特性图确实包括阈值电压 (V GS(th) ) 和导通电阻 (R DS(on)) 与温度。阈值电压具有负温度系数，导通电阻具有正温度系数。

图 2：CSD17576Q5B NexFET™ 数据表中的电气特性表

图 3 是两个功率 MOSFET的 BV DSS温度变化：CSD17576Q5B 30-V 沟槽 FET 和CSD19532Q5B 100-V超级结器件；图 3 中的曲线显示了 BV DSS以及 I DSS和 I GS的温度依赖性。随着温度升高，两者的击穿电压几乎呈线性增加。线的斜率是 BV DSS的正温度系数，并且会因 FET 的工艺技术和额定电压而异。注意，正的温度系数小于用于CSD19532Q5B比对于CSD17576Q5B。

图 3：归一化 BV DSS与温度的关系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

图 4 显示了CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B的 I DSS的温度依赖性。较低电压的 FET CSD17576Q5B 在 -55°C 至 150°C 的温度范围内显示出更多变化。对于这两种器件，曲线在低温下趋于变平。这不是实际行为，而是测试测量系统在测量非常小的电流时的限制。器件物理特性决定了低温下的持续下降趋势。

图 4：归一化 I DSS与温度的关系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

对于 CD17576Q5B 和 CSD19532Q5B，如图 5 所示，I GSS也具有正温度变化。在-55°C 至 150°C 的温度范围内，CSD19532Q5B 的I GSS的相对增加更大。同样，低温下曲线变平是由测试测量系统的分辨率引起的。

图 5：归一化 I GSS与温度的关系：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

最后一个参数 g fs也与温度有关。您可以使用 CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B 数据表中的传递曲线，如图 6 所示，使用公式 1估算 g fs：

g fs = ΔI DS /ΔV GS (1)

图 6：传输特性：CSD17576Q5B (a)；CSD19532Q5B (b)

从数据表曲线中选取数据点，表 1 列出了 g fs的估计值。您可以看到跨导具有负温度系数。

表 1：CSD17576Q5B 的估计 g fs值

您可以使用 CSD19532Q5B 的传输特性进行相同的 g fs估计，如表 2 中所列。

表 2：CSD19532Q5B 的估计 g fs值

动态特性

动态特性部分中的参数表示 MOSFET 的开关速度。这些包括寄生电容（C ISS、C OSS和C RSS）、内部串联栅极电阻（R G）和电荷参数（Q G、Q GD、Q GS和Q OSS）。这些参数与外部栅极驱动电路一起决定了典型的开关时间（t d(on)、t r、t d(off)和 t f）。寄生电容和电荷参数的温度变化很小。ř ģ随温度变化，但通常会被外部栅极电阻和栅极驱动器的输出阻抗淹没，导致数据表中指定的开关时间有一些微小的偏差。图 7 显示了具有寄生电容和内部串联栅极电阻的 MOSFET。

图 7：具有寄生元件的 MOSFET 模型

二极管特性

电气特性表的最后一部分是漏源体二极管规格。二极管正向电压 (V SD ) 具有负温度特性，如典型的 MOSFET 特性所示。反向恢复电荷 (Q rr ) 和反向恢复时间 (t rr ) 在升高的温度下都会增加。因此，在升高的温度下，反向恢复损耗也会增加。

图 8 显示了两个非 TI FET 随温度的反向恢复行为。Q rr是漏极电流包围的面积，t rr是电流回到零所需的时间。我们可以期待 TI NexFET 器件在温度范围内的类似行为。

图 8：两个 FET 的反向恢复电流与温度的关系

安全操作区

我们经常有疑问，如何根据 MOSFET 数据表中的安全工作区 (SOA) 曲线降低温度。图 9 显示了CSD17576Q5B 和 CSD19532Q5B在 T A = 25°C 时的 SOA 曲线。

图9：在T最大安全工作区甲= 25°C：CSD17576Q5B（a）的和 CSD19532Q5B (b)

最简单的方法是使用线性降额因子。从图中确定 SOA 电流 I DS(SOA)、电压 V DS(SOA)和感兴趣的脉冲宽度。公式 2 计算温度 T (°C) 下的 SOA 电流为：

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

当 T = T Jmax 时，公式 2 产生 0 电流，在数据表中指定。

3.结论