深入理解 MOSFET /datasheet · MOSFET datasheet上往往只有Tc=25和80℃时的SOA，但实际应用中不会刚好就是在Tc=25...

深入理解 MOSFET 规格书/datasheet

作为一个电源方面的工程师、技术人员，相信大家对 MOSFET 都不会陌生。本论坛中，关于

MOSFET 的帖子也应有尽有：MOSFET 结构特点/工作原理、MOSFET 驱动技术、MOSFET 选型、

MOSFET 损耗计算等，论坛各大版主、大侠们都发表过各种牛贴，我也不敢在这些方面再多说些

什么了。

工程师们要选用某个型号的 MOSFET，首先要看的就是规格书/datasheet，拿到 MOSFET 的规

格书/datasheet 时，我们要怎么去理解那十几页到几十页的内容呢？

本帖的目的就是为了和大家分享一下我对 MOSFET 规格书/datasheet 的理解和一些观点，有什

么错误、不当的地方请大家指出，也希望大家分享一下自己的一些看法，大家一起学习。

PS: 1. 后续内容中规格书/datasheet 统一称为 datasheet

2. 本帖中有关 MOSFET datasheet 的数据截图来自英飞凌 IPP60R190C6 datasheet

1. VDS

Datasheet 上电气参数第一个就是 V(BR)DSS，即 DS 击穿电压，也就是我们关心的 MOSFET 的

耐压.

此处 V(BR)DSS 的最小值是 600V，是不是表示设计中只要 MOSFET 上电压不超过 600V

MOSFET 就能工作在安全状态？

相信很多人的答案是“是！”，曾经我也是这么认为的，但这个正确答案是“不是！”

这个参数是有条件的，这个最小值 600V 是在 Tj=25℃的值，也就是只有在 Tj=25℃时，MOSFET

上电压不超过 600V 才算是工作在安全状态。

MOSFET V(BR)DSS 是正温度系数的，其实 datasheet 上有一张 V(BR)DSS 与 Tj 的关系图

(datasheet 中 Table 17)，如下：

要是电源用在寒冷的地方，环境温度低到-40℃甚至更低的话，MOSFET V(BR)DSS 值<560V，

这时候 600V 就已经超过 MOSFET 耐压了。

所以在 MOSFET 使用中，我们都会保留一定的 VDS 的电压裕量，其中一点就是为了考虑到低

温时 MOSFET V(BR)DSS 值变小了，另外一点是为了应对各种恶例条件下开关机的 VDS 电压尖峰

2. ID

相信大家都知道 MOSFET 最初都是按 xA, xV 的命名方式（比如 20N60~），慢慢的都转变成

Rds(on)和电压的命名方式(比如 IPx60R190C6, 190 就是指 Rds(on)~).

其实从电流到 Rds(on)这种命名方式的转变就表明 ID 和 Rds(on)是有着直接联系的，那么它们之

间有什么关系呢？

在说明 ID 和 Rds(on)的关系之前，先得跟大家聊聊封装和结温：

1). 封装：影响我们选择 MOSFET 的条件有哪些？

a) 功耗跟散热性能 -->比如：体积大的封装相比体积小的封装能够承受更大的损耗；铁封

比塑封的散热性能更好.

b) 对于高压 MOSFET 还得考虑爬电距离 -->高压的 MOSFET 就没有 SO-8 封装的，因为

G/D/S 间的爬电距离不够

c) 对于低压 MOSFET 还得考虑寄生参数 -->引脚会带来额外的寄生电感、电阻，寄生电感

往往会影响到驱动信号，寄生电阻会影响到 Rds(on)的值

d) 空间/体积 -->对于一些对体积要求严格的电源，贴片 MOSFET 就显得有优势了

2). 结温：MOSFET 的最高结温 Tj_max=150℃，超过此温度会损坏 MOSFET，实际使用中建

议不要超过 70%~90% Tj_max.

回到正题，MOSFET ID 和 Rds(on)的关系:

(1) 封装能够承受的损耗和封装的散热性能(热阻)之间的关系

(2) MOSFET 通过电流 ID 产生的损耗

(1), (2)联立，计算得到 ID 和 Rds_on 的关系

3. Rds(on)

从 MOSFET Rds(on)与 Tj 的图表中可以看到：Tj 增加 Rds(on)增大，即 Rds(on)是正温度系数，

MOSFET 的这一特性使得 MOSFET 易于并联使用。

4. Vgs(th)

相信这个值大家都熟悉，但是 Vgs(th)是负温度系数有多少人知道，你知道吗？(下面两图分别

来自 BSC010NE2LS 和 IPP075N15N3 G datasheet.)

相信会有很多人没有注意到 Vgs(th)的这一特性，这也是正常的，因为高压 MOSFET 的 datasheet

中压根就没有这个图，这一点可能是因为高压 MOSFET 的 Vgs(th)值一般都是 2.5V 以上，高温时

也就到 2V 左右。但对于低压 MOSFET 就有点不一样了，很多低压 MOSFET 的 Vgs(th)在常温时就

很低，比如 BSC010NE2LS 的 Vgs(th)是 1.2V~2V，高温时最低都要接近 0.8V 了，这样只要在 Gate

有一个很小的尖峰就可能误触发 MOSFET 开启从而引起整个电源系统异常。

所以，低压 MOSFET 使用时一定要留意 Vgs(th)的这个负温度系数的特性！！

5. Ciss, Coss, Crss

MOSFET 带寄生电容的等效模型

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd

Ciss, Coss, Crss 的容值都是随着 VDS 电压改变而改变的，如下图：

在 LLC 拓扑中，减小死区时间可以提高效率，但过小的死区时间会导致无法实现 ZVS。因此

选择在 VDS 在低压时 Coss 较小的 MOSFET 可以让 LLC 更加容易实现 ZVS，死区时间也可以适当

减小，从而提升效率。

6. Qg, Qgs, Qgd

从此图中能够看出：

1. Qg 并不等于 Qgs+Qgd！！

2. Vgs 高，Qg 大，而 Qg 大，驱动损耗大

7. SOA

SOA 曲线可以分为 4 个部分：

1). Rds_on 的限制，如下图红色线附近部分

此图中：

当 VDS=1V 时，Y 轴对应的 ID 为 2A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃时，Rds(on)约为 0.5R

当 VDS=10V 时，Y 轴对应的 ID 为 20A，Rds=VDS/ID=0.5R ==>Tj=150℃时，Rds(on)约为 0.5R

所以，此部分曲线中，SOA 表现为 Tj_max 时 RDS(on)的限制

2). 最大脉冲电流限制，如下图红色线附近部分

此部分为 MOSFET 的最大脉冲电流限制，此最大电流对应 ID_pulse.

3). VBR(DSS)击穿电压限制，如下图红色线附近部分

此部分为 MOSFET VBR(DSS)的限制，最大电压不能超过 VBR(DSS) ==>所以在雪崩时，SOA

图是没有参考意义的

4). 器件所能够承受的最大的损耗限制，如下图红色线附近部分

上述曲线是怎么来的？这里以图中红线附近的那条线（10us）来分析。上图中，1 处电压、电

流分别为：88V, 59A，2 处电压、电流分别为：600V, 8.5A。

MOSFET 要工作在 SOA，即要让 MOSFET 的结温不超过 Tj_max(150℃)，Tj_max=Tc+PD*ZthJC,

ZthJC 为瞬态热阻.

SOA 图中，D=0，即为 single pulse，红线附近的那条线上时间是 10us 即 10^-5s，从瞬态热阻曲

线上可以得到 ZthJC=2.4*10^-2

从以上得到的参数可以计算出：

1 处的 Tj 约为：25+88*59*2.4*10^-2=149.6℃

2 处的 Tj 约为：25+600*8.5*2.4*10^-2=147.4℃

MOSFET datasheet 上往往只有 Tc=25 和 80℃时的 SOA，但实际应用中不会刚好就是在 Tc=25

或者 80℃，这时候就得想办法把 25℃或者 80℃时的 SOA 转换成实际 Tc 时的曲线。怎样转换呢？

把 25℃时的 SOA 转换成 100℃时的曲线：

1). 在 25℃的 SOA 上任意取一点，读出 VDS, ID,时间等信息

如上图，1 处电压、电流分别为：88V, 59A, tp=10us

计算出对应的功耗：PD=VDS*ID=88*59=5192 （a）

PD=(Tj_max-Tc)/ZthJC -->此图对应为 Tc=25℃ （b）

（a），（b）联立，可以求得 ZthJC=(Tj_max-25)/PD=0.024

2). 对于同样的 tp 的 SOA 线上，瞬态热阻 ZthJC 保持不变，Tc=100℃，ZthJC=0.024.

3). 上图中 1 点电压为 88V，Tc=100℃时，PD=(Tj_max-100)/ZthJC=2083，从而可以算出此时最

大电流为 I=PD/VDS=2083/88=23.67A

4). 同样的方法可以算出电压为 600V，Tc=100℃时的最大电流

5). 把电压电流的坐标在图上标出来，可以得到 10us 的 SOA 线，同样的方法可以得到其他 tp

对应的 SOA（当然这里得到的 SOA 还需要结合 Tc=100℃时的其他限制条件）

**这里的重点就是 ZthJC，瞬态热阻在同样 tp 和 D 的条件下是一样的，再结合功耗，得到不同

电压条件下的电流

另外一个问题，ZthJC/瞬态热阻计算：

1. 当占空比 D 不在 ZthJC 曲线中时，怎么计算？

2. 当 tp<10us 是，怎么计算？

1). 当占空比 D 不在 ZthJC 曲线中时：（其中，SthJC(t)是 single pulse 对应的瞬态热阻）

2). 当 tp<10us 时(tp 为 10us~1s)：

8. Avalanche

EAS：单次雪崩能量，EAR：重复雪崩能量，IAR：重复雪崩电流

雪崩时 VDS,ID 典型波形：

上图展开后，如下：

MOSFET 雪崩时，波形上一个显著的特点是 VDS 电压被钳位，即上图中 VDS 有一个明显的平

台。

MOSFET 雪崩的产生：

在 MOSFET 的结构中，实际上是存在一个寄生三极管的，如上图。在 MOSFET 的设计中也会

采取各种措施去让寄生三极管不起作用，如减小 P+Body 中的横向电阻 RB。

正常情况下，流过 RB 的电流很小，寄生三极管的 VBE 约等于 0，三极管是处在关闭状态。

雪崩发生时，如果流过 RB 的雪崩电流达到一定的大小，VBE 大于三极管 VBE 的开启电压，寄生

三极管开通，这样将会引起 MOSFET 无法正常关断，从而损坏 MOSFET。

因此，MOSFET 的雪崩能力主要体现在以下两个方面：

1. 最大雪崩电流 ==>IAR

2. MOSFET 的最大结温 Tj_max ==>EAS、EAR 雪崩能量引起发热导致的温升

1）单次雪崩能量 EAS

上图是典型的单次雪崩 VDS,ID 波形，对应的单次雪崩能量 EAS 为：

其中，VBR=1.3BVDSS, L 为提供雪崩能量的电感。

雪崩能量的典型测试电路如下：

计算出来 EAS 后，对比 datasheet 上的 EAS 值，若在 datasheet 的范围内，则可认为是安全的（当

然前提是雪崩电流<IAR）。同时，还得注意，EAS 随结温的增加是减小的，如下图：

2）重复雪崩能量 EAR

上图为典型的重复雪崩波形，对应的重复雪崩能量为：

其中，VBR=1.3BVDSS.

计算出来 EAR 后，对比 datasheet 上的 EAR 值，若在 datasheet 的范围内，则可认为是安全的

（此处默认重复雪崩电流<IAR），同时也得考虑结温的影响。

9. 体二极管参数

VSD，二极管正向压降 ==>这个参数不是关注的重点

trr，二极管反向回复时间 ==>越小越好

Qrr，反向恢复电荷 ==>Qrr 大小关系到 MOSFET 的开关损耗，越小越好，trr 越小此值也会小

10. 不同拓扑 MOSFET 的选择

针对不同的拓扑，对 MOSFET 的参数有什么不同的要求呢？怎么选择适合的 MOSFET？

1). 反激：

反激由于变压器漏感的存在，MOSFET 会存在一定的尖峰，因此反激选择 MOSFET 时，我们

要注意耐压值。通常对于全电压的输入，MOSFET 耐压(BVDSS)得选 600V 以上，一般会选择 650V。

若是 QR 反激，为了提高效率，我们会让 MOSFET 开通时的谷底电压尽量低，这时需要取稍

大一些的反射电压，这样 MOSFET 的耐压值得选更高，通常会选择 800V MOSFET。

2). PFC、双管正激等硬开关：

a) 对于 PFC、双管正激等常见硬开关拓扑，MOSFET 没有像反激那么高的 VDS 尖峰，通常

MOSFET 耐压可以选 500V, 600V。

b) 硬开关拓扑 MOSFET 存在较大的开关损耗，为了降低开关损耗，我们可以选择开关更快的

MOSFET。而 Qg 的大小直接影响到 MOSFET 的开关速度，选择较小 Qg 的 MOSFET 有利于减小

硬开关拓扑的开关损耗

3). LLC 谐振、移相全桥等软开关拓扑：

LLC、移相全桥等软开关拓扑的软开关是通过谐振，在 MOSFET 开通前让 MOSFET 的体二极

管提前开通实现的。由于二极管的提前导通，在 MOSFET 开通时二极管的电流存在一个反向恢复，

若反向恢复的时间过长，会导致上下管出现直通，损坏 MOSFET。因此在这一类拓扑中，我们需

要选择 trr，Qrr 小，也就是选择带有快恢复特性的体二极管的 MOSFET。

4). 防反接，Oring MOSFET

这类用法的作用是将 MOSFET 作为开关，正常工作时管子一直导通，工作中不会出现较高的

频率开关，因此管子基本上无开关损耗，损耗主要是导通损耗。选择这类 MOS 时，我们应该主要

考虑 Rds(on)，而不去关心其他参数。