大电流MOSFET是电源设计的必需品

在当今的汽车和工业电子产品中，低压 MOSFET （《100 V） 对大功率的需求不断增加。电机驱动等应用现在需要以千瓦为单位的功率输出。除了当前的模块空间限制外，这意味着处理更多功率的需求正在传递给组件，尤其是 MOSFET。这需要仔细考虑设计要求并了解电路设计中的最大额定值，以便从功率 MOSFET 获得最佳性能并在所需的工作寿命期间保持器件的可靠性。

在 Nexperia 的 Power Live 活动中，Nexperia 的应用工程师 Stein Hans Nesbakk 和国际产品营销经理 Steven Waterhouse 指出需要正确评估漏极电流以及可能使用保护电路来补偿高电流事件，从而提供高度可靠的产品。功率 MOSFET 数据表中指出的漏极电流 （ ID ） 限制是此类需要管理非常高电流的高功率应用中最重要的参数之一。

I D等级

MOSFET 具有三个端子：栅极、源极和漏极。电流可以通过标记为 I G、 I S和 I D的任何这些端子流动。工程师和电气设计人员必须彻底了解基本功能、限制和环境条件，才能为应用选择合适的 MOSFET。

I D是 MOSFET 在 T mb = 25°C 时完全增强并在最高结温下死亡时MOSFET 可以维持的最大连续漏源电流。正如演讲者所指出的，它是一个单一参数，可捕获热性能、温度额定值、R DS（on）、硅片电阻和封装电阻。MOSFET 可以达到的最大电流主要来自 MOSFET 的最大功率容限。计算最大持续电流时，必须使用最大稳态功率。如果我们定义 T mb = 25°C，T j（max） = 175°C，并且 R th（j-mb） = （0.4 K/W max），我们可以计算出最大功率如下：

计算此最大功率容限所需的关键参数是芯片与安装基座之间的热阻 Z th（j-mb）（图 1）以及芯片与安装基座之间的热阻 R th（j-mb）。R th（j-mb）是热阻，指的是达到稳态条件（也称为直流条件）的热响应。

图 1：MOSFET 内部和外部的热阻

R th（j-mb）是从结到安装底座的热阻。图 2 显示了从结到安装基座的瞬态热阻与脉冲持续时间的函数关系。可以看出，MOSFET 热响应类似于 RC 网络电响应。其热阻取决于所传递的脉冲类型（单次脉冲或具有不同占空比的重复 PWM 脉冲），对于超过 10 ms 的脉冲，曲线在 100 ms 后开始平稳并变平，如图所示。据说此时 MOSFET 已达到热稳定性。因此，从 MOSFET 的角度来看，它处于热直流状态。在这种情况下，热阻会在 0.1 秒内稳定下来，尽管 Nexperia 声称所有 MOSFET 都在实验室中测试了超过 30 秒。Ĵ。所有 MOSFET 必须在此温度以下工作。P （max）可在数据表的限值表中找到。使用功率公式，我们可以计算漏极电流：

R DS（on）是 MOSFET 的导通电阻。可以考虑T j（max）处的 R DS（on）来计算I D max 。图 3 中的图表可用于计算特定温度要求的电流。

图 2：从结到安装底座的瞬态热阻与脉冲持续时间的关系

图 3：作为结温函数的归一化漏源导通电阻因子

在确定了理论最大 I D之后，必须通过测试和验证来验证该值。在最终确定和保护数据表中提供的 I D （max）时，将强调和考虑其他限制因素。在 T j = 175°C 时，I D （max） = 495 A 被认为是 PSMN70-40SSH 的理论容量。当结温达到 T j（max）时，I D（max）测量值在实验室中得到验证。电流将受到 PCB 的热设计和工作温度的限制。

因为我们使用的是器件的最大容量，而应用取决于安装技术，所以应用的最大电流可以根据数据表中提供的 I D （max）额定值计算得出。在应用中，Nexperia 不建议超过 T j（max）。

将 MOSFET 的最高结温Tj限制在175°C 是由 MOSFET 需要满足的可靠性要求驱动的。因此，175°C 是 Nexperia 用于符合行业标准的 MOSFET 鉴定和寿命测试的温度限制。所有汽车功率 MOSFET 都必须满足 175°C 结温规范。

图 4：电池隔离和电机驱动应用

I D电流最大能力在高系统电流出现和系统反应之间变得至关重要。在电子保险丝/电池隔离中，这是检测到过流情况和做出反应之间的时间；在电机驱动应用中，转子锁定和控制系统反应之间的时间变得至关重要（图 4）。

LFPAK 封装

MOSFET 特性（例如键合线和铜夹、电流扩散和封装热）都会对 I D（max）产生影响。MOSFET 能够抵抗非常高的工作电流、出色的性能、稳健性和可靠性是重要的特性。对于当今空间受限的大功率汽车应用，LFPAK 封装具有出色的性能和高耐用性，与 D2PAK 等老式金属电缆封装相比，其占位面积更小，功率密度更高。

增加的最大电流容量和良好的电流扩散、更好的 R DS（on）、低源极电感和降低的热阻都是用于键合线封装 （R th ） 的 LFPAK 铜夹技术的优势。铜夹和焊片用于连接 LFPAK 器件中的结构，从而降低电阻和热阻，以及有效的电流扩散和散热。此外，铜夹的热质量可最大限度地减少热点的发展，从而获得更好的雪崩能量 （E AS ） 和线性模式 （SOA） 性能。

图 5：LFPAK 封装

审核编辑：郭婷