三极管和MOSFET选型规范

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一、三极管和MOSFET器件选型原则

1、三极管及MOSFET分类简介

类型

类型细分

应用场景
三极管 射频信号三极管 射频开关及射频小信号放大
三极管 普通小信号三极管 小信号回路开关及信号放大
三极管 功率三极管 功率回路开关,推挽放大
MOSFET 小信号MOSFET 小信号回路开关
MOSFET 功率MOSFET(<=250V) AC-DC,DC-DC电源模块
MOSFET 功率MOSFET(600V~650V) AC-DC电源模块
MOSFET 功率MOSFET(800V~1000V) AC-DC电源模块,UPS,逆变器
MOSFET 功率MOSFET(1000V~1700V) 空调压缩机驱动电路
MOSFET 功率MOSFET(SIC)>=600V AC-DC电源模块(高效率)
MOSFET 功率MOSFET(GAN)(100V~600V) 超高频领域(1Mhz以上),更高Power density的应用领域。

(1)三极管选型原则

行业发展总趋势为:小型化、表贴化,高频化,高效率化,集成化,绿色化。重点突出小型化和表贴化。

近年来,随着MOSFET的发展,在低功率高速开关领域,MOSFET正逐步替代三极管,行业主流厂家对三极管的研发投入也逐年减少,在芯片技术方面基本没有投入,器件的技术发展主要体现在晶圆工艺的升级(6inch wafer转8inch wafer)及封装小型化及表贴化上。另外,相对普通三极管,RF三极管的主要发展方向是低压电压供电,低噪声,高频及高效。

选型原则如下:

1)禁选处于生命周期末期的插件封装器件,如TO92;

2)优选行业主流小型化表贴器件,如SOT23,STO323,SOT523等,对于多管应用,优先考虑双管封装如SOT363及SOT563;

3)对于开关应用场景,优先考虑选用MOSFET;

4)射频三极管优选低电压供电,低噪声,高频及高效器件。

(2)MOSFET选型原则

行业技术发展总趋势为:小型化、表贴化,高频化,高功率密度化,高效率化,高可靠性,集成化,绿色化。重点突出高频化,高功率密度化,高可靠性及集成化。

行业技术发展趋势主要体现在MOSFET芯片材料,晶圆技术,芯片技术及封装技术的演进及发展。选型原则如下:

禁止选用处于生命周期末期的插件封装器件(能源用TO220,TO247除外)及封装为SO8,DPAK的表贴器件。

对于信号MOSFET推荐选用栅极集成TVS保护的小型化表贴器件。

1)对于Vds<=250V的功率MOSFET

单管优选行业主流无引脚表贴功率封装POWERPAK 5X6及POWERPAK3X3,在散热不满足要求的情况下可考虑翼型带引脚表贴封装D2PAK;

Buck上下管集成方案优选下管sourcing down POWERPAK5X6 dual封装;

电源模块考虑到器件散热问题,可选行业主流插件封装TO220;

对于缓起及热插拔应用,选用器件时请重点评估器件是否工作在其安全工作区域

开关应用需同缓起,热插拔及ORing应用区分选型;

超高频领域(1MHz以上),可考虑用GANMOS替代,从而提高效率降低系统面积。

2)对于Vds介于600V~650V的高压功率MOSFET,其用于AC电源模块优先考虑选用Vds为650V的器件;

封装根据电源模块散热及结构设计要求推荐选用表贴器件POWERPAK 8X8及插件TO247,未来还可考虑表贴器件POWERPAK5X6;

对于在电路中工作频率不高的场景如当前PFC电路,优选寄生二极管不带快恢复特性的MOSFET(如INFINEON C3,C6,P6系类),对于电路中工作频率较高的场景如LLC电路,优选寄生二极管带恢复特性的MOSFET(如INFINEON CFD系列);

对于电源效率要求不是特别高的场景,部分MOSFET可以考虑用高速IGBT替换,达到降成本的目的。对于高效模块,可考虑选用SIC MOSFET替代传统Si MOSFET,达到提升电源工作效率的目的;

对于Vds高于800V的MOSFET,如果Id大于5A,建议考虑选用IGBT,如果Id小于5A,建议选用行业主流封装TO247,TO220或D2PAK;

原则上禁止选用耗尽性JFET,如遇到特殊电流需使用,请在行业主流封装SOT23Z中选择。

二、三极管和MOSFET器件选型关键要素

1、三极管选型关键要素

三极管在电路中有放大和开关两种作用,目前在我司的电路中三极管主要起开关作用。在选择三极管的时候,从以下几个方面进行考虑:参数、封装、性能(低压降、低阻抗、高放大倍数、高开关效率)

1)参数的选择:三极管有很多参数,选型对于三极管的参数没有特殊的要求,需要关注的参数有Vceo、Vcbo、Vebo、Ic(av)、Pd、Hef。比较重要的参数是Vceo、Ic(av),对于Vceo的值有时厂家会给Vces的值,不能用Vces的值作为Vceo,因为Vces=Vcbo>Vceo。如果器件的电压和电流值在降额后满足需求,Pd可以不用过多的去考虑(三极管做放大用、作电压线性转化以及三极管功率比较大的场合需要考虑Pd)。

在满足降额规范要求的前提下,考虑输出电流和相应的耗散功率,击穿电压大小,放大倍数等参数。同时,应尽量选用热阻小,允许结温高的器件。

2)封装:三极管的封装的发展趋势是小型化、表贴化、平脚化、无引脚化。

封装质量优劣的是用芯片面积与封装面积的比值来判断的,比值越接近1越好。目前三极管最小封装是sot883(DFN1006-3),优选封装有sot883、sot663、sot23、sot89、sot223、sot666。由于三极管的功率需求越来越小,所以小封装三极管是其引进的一个方向,在参数满足规格的前提下尽量选择小封装。

3)性能:选择低Vce(sat)的、低阻抗的器件。目前NXP、ON、ZETEX等均推出了低饱和压降的器件,在选型时可以优先考虑。

2、MOSFET选型关键要素

(1)电压极限参数

1)漏源击穿电压V(BR)DSS

漏源击穿电压V(BR)DSS一般是在结温Tj=25℃下,VGS=0V,ID为数百A下的测试值,由于V(BR)DSS和Rds(on)成反比,因此多数厂家MOSFET的上限为1000V。V(BR)DSS与温度有关,Tj上升100℃,V(BR)DSS约线性增加10%。反之,Tj下降时,V(BR)DSS以相同比例下降。这一特性可以看作MOSFET的优点之一,它保证了内部成千上万个元胞在雪崩击穿时,难以使雪崩电流密集于某一点而导致器件损坏(不同于功率三极管)。

2)最大额定栅源电压VGS

栅源之间的SiO2氧化层很薄,因此在二者之间加上不高的电压就会在内部形成很高的电场,而电场超过SiO2材料的承受能力便发生击穿导致器件失效。

最大额定栅源电压VGS多数厂家资料为20V,(对于低驱动电压的低压MOSFET一般为10V)。目前很多厂对于高驱动电压MOSFET已将此极限电压提高到30V。SIC MOSFET则多为10V~25V间,启动电压不对称,选用时需注意驱动部分的设计。

(2)影响损耗的主要参数

对于MOSFET,当频率小于100KHz时,主要是导通损耗占的比重最大。因此影响损耗的主要参数为通态电阻Rds(on)。一般厂家给出的Rds(on)值,是在规定的VGS(如10V)ID(一般为标称电流值)、Tj(一般为25℃)条件下的值。

对于Rds(on),有以下特性:对生产厂家来说,在相同设计及工艺条件下,如果提高MOSFET的Rds(on)值,会导致Rds(on)升高。Rds(on)值随着结温升高而近似线性升高。其结果是导致损耗增加,例如下图IRF640的Rds(on)与Tj关系图,如果结温在120℃时,Rds(on)值将是25℃时的1.8倍。因此导通损耗I2*Rds(on)也将增加到1.8倍;相对于Si MOSFET,SiC MOSFET由于其禁带宽度较Si MOSFET宽,所以其温度特性明显优于Si MOSFET。在150℃的条件下,SIC MOSFET的Rds(on)仅仅比在25℃条件下增加20%。

图1  Rds(on)与Tj关系图

图1 Rds(on)与Tj关系图

与VGS的关系:为了将Rds(on)降低到最小,至少VGS要提高到10V(4V驱动的产品约外加5V)才可降到最小。此外,即使将VGS提高到12V~15V以上,也不会对Rds(on)的降低起多大作用(如果在占空比小的情况下有接近或超出直流额定电流的运用,另当别论),不必要地增大这种栅压,会加大充电电流,增加驱动损耗,并容易在栅源间发生尖峰电压。增加栅源击穿的失效概率。因此对于一般的MOSFET,12V驱动即可。

相同的结温下,随着ID增大,Rds(on)有轻微增大。计算功耗时,可以忽略该变化。在实际使用中,如果增大ID值,导致发热上升,那是因为散热条件(热阻)不变,ID增加,功耗P= I2* Rds(on)增加,结温升高,Rds(on)随之升高,进一步加大功耗。

另外,当频率超过100KHz后,开关损耗所占的比例不能忽视,这时就必须注意器件本身的栅极电荷Qg,输出电容Coss,以及栅极驱动电阻对开关损耗的影响。特别是通态电阻越小的MOSFET,通常其元胞密度就越大,因此Qg、Coss就会越大,这就会增大开关损耗。

近来,由于MOSFET的应用频率进一步提高,在低压大电流的MOSFET生产上,还需注意从工艺设计上改善MOSFET内部寄生的Rg,以降低MOSFET的开关损耗,提高应用频率(或提高电流)

(3)电流处理能力参数

限制电流处理能力的最终因素是最大可允许结温(通常厂家规定为150℃)。一般用可持续直流漏极电流ID、额定峰值电流IDM来表征。

1)可持续直流漏极电流ID

实际可允许最大ID值是决定于Rds(on)、结-壳热阻RJC(它决定于器件的芯片封装材料及工艺水平)、最大可允许结温Tj,以及壳温Tc等机构参数。它们满足一下公式:I2* Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc

其中Rds(on)、Rjc、Tjmax由器件本身的特性决定,Tc则与设计有关,如散热条件、功耗等(注:可允许最大漏极功耗Pd= I2*Rds(on)=(Tjmax-Tc)/Rjc)。一般厂家资料给出的是壳温下的ID值,另外有些厂家还给出了最大ID和Tc之间的关系曲线。

ID与Tc关系图

图2 ID与Tc关系图

以IRF640为例,电流标称值为18A(Tc=25℃下),其ID和Tc的关系如上图。由图可见,当壳温有25℃变到125℃时,可见最大直流漏极电流由18A下降到8A。必须注意,Tc=25℃下的ID仅仅具有参考意义(可以进行不同管子之间的比较),因为它是假定散热条件足够的好,外壳温度始终为25℃(在实际应用中,根本不可能),从而根据公式I2* Rds(on)*Rjc=Tjmax-Tc推算出来的。但在实际应用情况下,由于环境温度和实际散热条件的限制,壳温通常远远大于25℃,且最高结温通常要保持在20℃以上的降额。因此,可允许直流漏极电流必须随温度升高而降额使用。

2)额定峰值电流IDM

如果电流脉冲或占空比较小时,则允许其超过ID值,但其脉冲宽度或占空比需要受到最大可允许结温的限制。一般厂家资料规定25℃下的额定峰值电流IDM值为ID值的四倍,并且是在VGS=20V下得到的。

(4)与栅极驱动有关的参数

由于在G、D、S各极之间存在不可避免的寄生电容。因此,在驱动时,该电容器有充放电电流和充放电时间,这便是驱动损耗、开关损耗产生的根本原因。器件的开关特性通常以Qg来衡量。

1)输入电容Ciss、反向传输电容Crss、输出电容Coss

由于在G、D、S各极之间存在不可避免的寄生电容,因此,在驱动时,改电容器有充放电电流和充放电时间,这便是驱动损耗、开关损耗产生的根本原因。器件的开关特性通常以Qg来衡量。

MOSFET寄生电容

图3 MOSFET寄生电容

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

2)总的栅极电荷Qg

它表示在开通过程中要达到规定的栅极电压所需要的充电电荷。是在规定的VDS、ID及VGS(一般为10V)条件下测得的。

由于弥勒效应的存在,Cgd虽然比Cgs小很多,但在驱动过程中它起的作用最大,因此客观来讲,考察MOSFET的Qg比考察Ciss等来得更为准确一些。

另外还有栅极电荷Qge、栅极电荷(弥勒电荷)Qgd两个参数。

如下图以IRF640为例,示意它们的波形。

栅极电荷与VG

图4 栅极电荷与VG

3)栅极电阻Rg,开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf

同样描述的是器件的开关性能,同时关系到器件的驱动损耗。其具体值与测试条件密切相关。比较不同的管子时尤其要引起注意。否则容易为厂家所误导。

(5)与可靠性有关的参数

1)最大可允许结温Tjmax

这是可靠性最为重要的参数,对MOSFET,一般厂家都标为150℃,也有125℃和175℃的特殊半导体器件。

2)雪崩额定值

由于漏感和分布电感以及关断时的di/dt,可能会产生电压尖峰从而强制MOSFET进入雪崩击穿区,VDS被钳制在实际的击穿电压点,但如果进入雪崩击穿区的实际很短,能量很小,器件本身则可以将其消耗掉而不至于损坏。

有三个参数能表征这一特性,即可允许单次脉冲雪崩能量EAS、可允许重复脉冲雪崩能量EAS(脉宽受到最大结温限制)、发生雪崩时的初始最大雪崩电流IAR。雪崩能量额定值随结温升高而显著下降,随发生雪崩时起始电流的增加而下降。

如果器件工作时有雪崩情况,注意在老化工程中,由于结温会相应升高,雪崩能力会相应下降,如果下降到一定程度则有可能是器件损坏,并且这种损坏通常只呈现一定的比例。(当然也有可能是其它原因引起MOSFET损坏,如变压器在高温大电流下的磁饱和)

3)栅极漏电流IGSS、漏极断态漏电流IDSS

这两个参数在具体设计时可能用不到,但它限制了器件内部工艺、材料的好坏,其值尽管可能是小到mA级或uA级,但比较器件时,通过测试它随电压变化(尤其是高温下)的情况也可以比较判断器件的优劣。

(6)与寄生源漏二极管有关的参数

在某些电路可能要运用到体内二极管进行续流,此时则需要考察二极管的参数。

1)的dv/dt值

体寄生二极管续流时,少子空穴也参与了导电,并且浓度很高,当二极管导通周期结束,外电路使二极管反转时,如果D、S之间的电压上升过快,大量少子空穴有一部分来不及复合掉,引起横向流过体区的电流,该电流在P+区和源区N+之间形成的压降可能使寄生的三极管导通,(漏极D相当于寄生NPN三极管的集电极、P+相当于基极,源极S极相当于发射极,基极发射极有正向压降时,由于dv/dt大,电压上升快,集电极与发射极之间也有正电压,因此寄生三极管导通),电流会密集于第一个导通的元胞,从而使器件热击穿损坏。

2)其它参数

a.反向恢复特性,有反向恢复电荷、反向恢复时间。续流运用时要考虑匹配。

b.电流电压参数,有正向压降VSD,其电流参数IS、ISM与ID、IDM相同,相对于SI MOSFET,SIC MOSFET的寄生二极管的正向压降,这是因为SIC的拐点电压(Knee voltage:point at which diode turn on)是Si的3倍,这非常近似于它们禁带宽度的比值,因此SIC MOSFET的VSD约为2.5V,而Si MOSFET的VSD约为0.8V。

(7)封装

封装选用主要结合系统的结构设计,热设计,单板加工工艺及可靠性考虑,选择具有合适封装形式及热阻的封装。常见功率MOSFET封装为DPAK、D2PAK、PowerPAK 5X6、PowerPAK 3X3、DirectFET、TO220、TO247,小信号MOSFET对应的SOT23,SOT323等,后继引进中主要考虑PowerPAK 8X8,PowerPAK SO8 5X6 Dual,PowerPAK 5X6 dual cool,SO8封装器件在行业属退出期器件,选型时禁选,DPAK封装器件在行业属饱和期器件,选型时限选;插件封装在能源场景应用中优选,比如TO220,TO247。

三、附录A:厂商分析

厂商

国别

简介

INFINEON

德国

1999年从西门子拆分出来,主力提供半导体和系统解决方案,解决在高能效、移动性和安全性方面带来的挑战,其高压功率MOSFET及IGBT技术优势明显,加上收购了IR(IR在LV/MV MOS行业技术领先且占有率第一),因此INFINEON可提供功率MOSFET及IGBT全系列产品,目前已收购CREE,后续在SIC功率器件将占主导地位。

三菱电机

(VINCOTECH)

日本

1921年成立,综合性企业,2012年收购德国厂家VINCOTECH,非功率MOSFET厂商,其在IGBT模块领域有完整的产业链,其模块主要用于机车牵引领域,电动汽车,电机控制领域。VINCOTECH为逆变器IGBT模块主流厂家,内部芯片外购。

ST

意法

2000年成立,有SGS和汤姆逊公司合并,半导体综合类厂家,其高压功率MOSFET及IGBT单管技术领先,不提供IGBT模块。

ON

美国

1999年成立,前身为motorala半导体元器件部,其功率MOSFET以中低压为主,现收购了FSC(中高压),虽在中压部分有重合,但已开始进军高压领域,2012年起开始发展IGBT单管及IGBT模块业务。

VISHAY

美国

1962年成立,老牌分立器件厂家,其中低压MOSFET行业占有率高,仅提供如SOT227封装的少量模块,目前已有部分高压MOS产品

RENESAS

日本

2003年由三菱,日立及NEC合资成立,半导体综合厂商,其2013年宣布功率MOSFET退出PC市场,目前重点发展IGBT单管。

TOSHIBA

日本

1939年成立,日本最大半导体厂商,其功率MOSFET产品系列全(从高压到低压),IGBT重点业务在单管,主要市场家电,封装同业界主流不同,以TO3为主,后续会发展模块

FUJI

日本

1923年由日本古河同西门子合资成立,其功率OSFET产品线较窄,仅提供部分高压MOS,IGBT/模块产业链完整有自有芯片。

IXYS

美国

1983年成立,功率半导体行业技术领先公司,产品主要用于工业,其功率MOSFET,IGBT单管规格偏,且价格高

MICROSEMI

美国

1995年成立,时一家专注高可靠性的功率半导体公司,自收购APT后涉足工业及通信领域,其功率MOSFET/IGBT/模块价格高,性能优势不明显,主要做军品。

NXP

荷兰

2006年成立,前身为飞利浦事业部之一,半导体综合类公司,其功率MOSFET产品聚焦在100V以下,高压MOSFET,IGBT及IGBT模块

PANASONIC

日本

1918年成立,是日本最大的电机制造商,分立器件产品线管,功率MOSFET以中低为主,无IGBT/模块,功率GaN FET行业领先

ROHM

日本

1958年成立,综合类半导体公司,尤其擅长器件小型化,MOSFET以小信号为主,SIC器件行业领先,IGBT芯片产品线较窄。

SEMIKRON

德国

1951年成立,专注于功率半导体模块的封装,其封装技术优势明显,无功率MOSFET,IGBT单管,IGBT模块产品线齐全,芯片外购

TI

美国

1951年成立,半导体综合类厂商,行业地位高,功率MOSFET以中低压100V以下为主,无IGBT单管及模块

文章来源:硬件十万个为什么

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