高电流 MOSFET：电源设计的必需品

在当今的汽车和工业电子领域，低压 MOSFET (<100 V) 对高功率的需求不断增加。电机驱动等应用现在需要千瓦级的功率输出。再加上当前模块空间的限制，这意味着处理更多功率的需求正在转移到组件上，特别是 MOSFET。这需要仔细考虑设计要求并了解电路设计中的额定值，以获得功率 MOSFET 的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 活动期间，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 (I D ) 限制是此类需要管理极高电流的高功率应用中重要的参数之一。

ID评级_

MOSFET 具有三个端子：栅极、源极和漏极。电流可以流经这些端子中的任何一个，这些端子标记为 I G、 I S和 I D。工程师和电气设计人员必须彻底理解基本功能、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 下完全增强并在结温下芯片时可以承受的连续漏源电流。正如发言者所指出的，它是一个捕获热性能、额定温度、R DS(on)、硅芯片电阻和封装电阻的单一参数。MOSFET 可实现的电流主要源自 MOSFET 的功率裕度。计算连续电流时，必须使用稳态功率。如果我们定义 T mb = 25°C、T j(max) = 175°C、R th(j-mb) = (0.4 K/W max)，我们可以计算出功率如下：

计算此功率余量所需的关键参数是芯片与安装基座之间的热阻抗 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（）

Rth (j-mb)是从结点到安装底座的热阻。图 2 显示了从结到安装底座的瞬态热阻与脉冲持续时间的关系。可以看出，MOSFET 热响应类似于 RC 网络电气响应。其热阻根据所传送的脉冲类型（具有不同占空比的单次或重复 PWM 脉冲）而变化，对于长度超过 10 毫秒的脉冲，曲线在 100 毫秒后开始稳定并变平，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，热阻在 0.1 秒内稳定下来，尽管 Nexperia 声称所有 MOSFET 在实验室中都经过了 30 秒以上的测试。j . 所有 MOSFET 都必须在该温度以下工作。P （值）可以在数据表限制值表中找到。利用功率公式，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函数关系（）

图 3：归一化漏源导通电阻因数与结温的函数关系（）

确定理论 I D后，必须通过测试和验证来验证该值。在终确定和保护数据表中提供的ID （值）时，将强调并考虑其他限制因素。在 T j = 175°C 时，ID （值） = 495 A 被视为 PSMN70-40SSH 的理论容量。当结温达到 T j(max)时， ID (max)测量值将在实验室得到验证。电流将受到 PCB 热设计和工作温度的限制。

因为我们使用的是设备的容量，并且应用取决于安装技术，所以应用的电流可以根据数据表给我们的I D（）额定值来计算。在应用中，Nexperia 不建议超过 T j(max)。

将 MOSFET 的结温 T j限制为 175°C 是出于 MOSFET 需要满足的可靠性要求。因此，175°C 是 Nexperia 根据行业标准进行 MOSFET 鉴定和寿命测试的温度限制。所有汽车功率 MOSFET 必须满足 175°C 结温规范。

图 4：电池隔离和电机驱动应用（）

在出现高系统电流和系统做出反应之间的时间内，ID电流值能力变得至关重要。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、电流分布和封装散热）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。对于当今空间有限的高功率汽车应用，LFPAK 封装可提供出色的性能和高耐用性，并且与 D2PAK 等旧式金属电缆封装相比，占地面积更小，功率密度更高。

增加的电流容量和良好的电流扩散、更好的 R DS(on) 、低源电感和降低的热阻都是用于键合线封装 (R th )的 LFPAK 铜夹技术的优点。铜夹和焊片用于连接 LFPAK 器件中的结构，从而实现低电阻和热阻，以及有效的电流扩散和散热。此外，铜夹的热质量限度地减少了热点的产生，从而实现更好的雪崩能量 (E AS ) 和线性模式 (SOA) 性能。

图 5：LFPAK 封装（）