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被忽略的細(xì)節(jié):理解MOSFET額定電壓BVDSS

看到這個(gè)主題,可能有些工程師會(huì)問:多少伏的功率MOSFET,耐壓BVDSS不就是多少伏嗎?這里面還有什么被忽略的內(nèi)容?細(xì)節(jié)決定技術(shù),今天研究功率MOSFET數(shù)據(jù)表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細(xì)節(jié),來理解這個(gè)參數(shù)所設(shè)定的含義

數(shù)據(jù)表中漏源擊穿電壓BVDSS通常定義為漏電流為250uA時(shí)漏極到源極的電壓,漏極到源極的漏電流表示為IDSS。數(shù)據(jù)表中標(biāo)稱BVDSS電壓是在柵源極S短路、25℃的工作溫度、漏極和源極不發(fā)生雪崩擊穿時(shí),所能施加的最大的額定電壓,測(cè)試的電路如圖1所示。關(guān)于雪崩擊穿問題在雪崩能量的相關(guān)章節(jié)專門的討論。

 


1BVDSS測(cè)試電路

功率MOSFET的耐壓由結(jié)構(gòu)中低摻雜層的外延層epi厚度N-決定。功率MOSFET的N+源極和P-區(qū)形成的結(jié)通過金屬物短路,從而避免寄生三極管的意外導(dǎo)通。當(dāng)柵極沒有加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),功率MOSFET通過反向偏置的P-區(qū)和N-的epi層形成的PN結(jié)承受高的漏極電壓。在高壓器件中絕大部分電壓由低摻雜的epi層來承受:厚的、低摻雜的epi層可以承受更高的擊穿耐壓,但是增加了導(dǎo)通電阻。

在低壓器件中,P-區(qū)摻雜程度和N-的epi層差不多,也可以承受電壓。如果P-區(qū)的厚度不夠,高摻雜太高,耗盡區(qū)可以由通孔達(dá)到N源極區(qū),從而降低了擊穿電壓值。如果P-區(qū)的厚度太大,高摻雜不夠,溝道的電阻和閾值電壓將增大。因此需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)P-區(qū)、epi摻雜和厚度以優(yōu)化其性能。

具體結(jié)構(gòu)可參考文獻(xiàn)功率MOSFET基礎(chǔ)

在MOSFET數(shù)據(jù)表中標(biāo)有測(cè)試條件,當(dāng)測(cè)試條件不同時(shí),結(jié)果會(huì)不同,如下圖所示,標(biāo)出了5個(gè)不同的產(chǎn)品的測(cè)試條件。標(biāo)明測(cè)試條件的原在于,當(dāng)不同的操作者在不同的時(shí)間進(jìn)行測(cè)試時(shí),結(jié)果是可以重復(fù)的,這也是研發(fā)工程師編寫測(cè)試結(jié)果和報(bào)告的時(shí)候,一個(gè)最基本的要求。

從表中看到區(qū)別了嗎?5個(gè)不同的產(chǎn)品測(cè)試條件ID的值,有的用250uA,有的用1mA,有的甚至有用10mA有一次深圳航嘉工程師交流時(shí)候,一位非常有經(jīng)驗(yàn)的采購(gòu)工程師吳夏,也注意到這個(gè)問題。那么,為什么會(huì)采用不同的測(cè)試條件?


測(cè)量BVDSS就是功率MOSFET的D、S加電壓時(shí),從原理上相當(dāng)于內(nèi)部的寄生二極管工作在反向特性區(qū),如圖所示,當(dāng)測(cè)試的IDSS值越大,所得到的BVDSS電壓值越高。因此使用不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)時(shí),實(shí)際性能會(huì)有較大的差異,也就是當(dāng)改用更大的測(cè)試電流的時(shí)候,所得到的名義電壓更高,到這里大家明白了為什么有些公司會(huì)采用不同的測(cè)量規(guī)范,那么這種方法會(huì)認(rèn)嗎?


圖2二極管反向特性區(qū)

漏源極擊穿電壓BVDSS有正溫度系數(shù),溫度增加,BVDSS也增加。因?yàn)?span style="color: rgb(0, 0, 0); font-family: 宋體; font-size: 16px;">隨著溫度的升高,晶格的熱振動(dòng)加劇,致使載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程縮短。因此,在與原子碰撞前由外加電場(chǎng)加速獲得的能量減小,發(fā)生碰撞電離的可能性也相應(yīng)減小。MOSFET耐壓的測(cè)量基于一定的漏極電流,溫度升高時(shí),為了達(dá)到同樣的測(cè)量漏極電流,在這種情況下,只有提高反向電壓,進(jìn)一步增強(qiáng)電場(chǎng),才能達(dá)到要求的測(cè)試電流值。所以,表面上看起來,溫度增加,測(cè)量得到的耐壓也相應(yīng)的提高。 

溫度系數(shù)不同公司的標(biāo)注方法也不同,如下圖所示,有些公司直接在表格中列出數(shù)值,有些公司使用圖表。同樣可以看到,測(cè)試條件也不同,測(cè)量時(shí)ID的值有的用250uA,有的用1mA,同樣的,不同測(cè)試條件結(jié)果也會(huì)不一樣,那么大家認(rèn)為測(cè)試時(shí)采用的IDSS越大還是越小,溫度系數(shù)越小呢?

BVDSS具有正的溫度系數(shù),溫度高,功率MOSFET的耐壓高,那是不是表明MOSFET對(duì)電壓尖峰有更大的裕量,更安全?由于MOSFET損壞的最終原因是溫度,更多時(shí)候是芯片內(nèi)部局部單元的過溫,導(dǎo)致局部的過熱損壞,在芯片整體溫度提高的條件下,MOSFET更容易發(fā)生單元的熱和電流不平衡,從而導(dǎo)致?lián)p壞。

在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)該基于系統(tǒng)最惡劣條件下來考慮擊穿電壓。選擇漏源極電壓BVDSS的基本原則為:在實(shí)際工作環(huán)境中,在動(dòng)態(tài)的極端條件下,瞬態(tài)的電壓峰值不要超過MOSFET的額定值。有些客戶的要求,最大的峰值漏源極的電壓最多不大于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的90%。有時(shí)候一些用戶會(huì)采用更低的、80%的降額要求

另外,在測(cè)量MOSFET的DS的電壓時(shí)候,要保證正確的測(cè)量方法。

1)如同測(cè)量輸出電壓的紋波一樣,所有工程師都知道,要去除示波器探頭的帽子,直接將探頭的信號(hào)尖端和地線接觸被測(cè)量位置的兩端,減小地線的環(huán)路,從而減小空間耦合的干擾信號(hào)。

2帶寬的問題,測(cè)量輸出電壓紋波的時(shí)候,通常用20MHZ的帶寬,但是,測(cè)量MOSFET的VDS電壓時(shí)候,用多少帶寬才是正確的測(cè)量方法?事實(shí)上,如果用不同的帶寬,測(cè)量到的尖峰電壓的幅值是不同的。具體原則是:

①確定被測(cè)量信號(hào)的最快上升Tr和下降時(shí)間Tf;

②計(jì)算最高的信號(hào)頻率:f=0.5/TrTr取測(cè)量信號(hào)的10%~90%;f=0.4/Tr,Tr取測(cè)量信號(hào)的20%~80%;

③確定所需的測(cè)量精確度,然后計(jì)算所需的帶寬。

所需精確度

高斯頻響

最大平坦頻響

20%

BW=1.0*f

BW=1.0*f

10%

BW=1.3*f

BW=1.2*f

3%

BW=1.9*f

BW=1.4*f

例如:在波形中被測(cè)量信號(hào)最快的下降時(shí)間為2ns10%~90%),判斷一個(gè)高斯響應(yīng)示波器在測(cè)量被測(cè)數(shù)字信號(hào)時(shí)所需的最小帶寬:

fB=0.5/2ns=250MHz

若要求3%的測(cè)量誤差,所需示波器帶寬:

fB =1.9*250=475MHz

若要求20%的測(cè)量誤差:所需示波器帶寬:

fB =1.0*250=250MHz

因此,決定示波器帶寬的重要因素是:被測(cè)信號(hào)的最快上升時(shí)間。注意:示波器的系統(tǒng)帶寬由示波器帶寬和探頭帶寬共同決定。

高斯頻響的系統(tǒng)帶寬( 示波器帶寬2 +探頭帶寬2)1/2/2

最大平坦頻響系統(tǒng)帶min(示波器帶寬,探頭帶寬)?


MOSFET特點(diǎn)及應(yīng)用可參考以下文章:

 · 功率MOSFET結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

 · 功率MOSFET的基礎(chǔ)

 · 功率MOSFET的熱阻特性

 · 理解MOSFET的電流


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