认识功率器件
1.1 功率半导体器件在工业 、消费 、军事等领域都有着广泛应用 ，具有很高的战略地位，200v是多少瓦电，下面我们从一张图看功率器件的全貌：，
1.1 功率半导体器件在工业 、消费 、军事等领域都有着广泛应用 ，具有很高的战略地位，下面我们从一张图看功率器件的全貌：
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1.2 功率半导体器件又可根据对电路信号的控程度分为全型 、半控型及不可；或按驱动电路信号 性质分为电压驱动型 、电流驱动型等划分类别 电流驱动型等划分类别 电流驱动型等划分类别 。
1.3 不同功率半导体器件 ，其承受电压 、电流容量 、阻抗能力 、体积大小等特性也会不同 ，实际使用中 ， 需要根据不同领域 、不同需求来选用合适的器件。
1.4 半导体行业从诞生至今 ，先后经历了三代材料的变更程 ，截至目前 ，功率半导体器件领域仍主要采 用以 Si 为代表的第一半导体材料 。
1.5 汇总下半控型和全控型功率器件的特性
插入式封装 表面贴裝则是MOSFET的管脚及散热法兰焊接在PCB板表面的焊盘上。典型表面贴装式封装有：晶体管外形(D-PAK)、小外形晶体管(SOT)、小外形封装(SOP)、方形扁平式封装(QFP)、塑封有引线芯片载体(PLCC)等。
TO封装产品外观 TO252/D-PAK是一种塑封贴片封装，常用于功率晶体管、稳压芯片的封装，是目前主流封装之一。 采用该封装方式的MOSFET有3个电极，栅极(G)、漏极(D)、源极(S)。 其中漏极(D)的引脚被剪断不用，而是使用背面的散热板作漏极(D)，直接焊接在PCB上，一方面用于输出大电流，一方面通过PCB散热;所以PCB的D-PAK焊盘有三处，漏极(D)焊盘较大。其封装规范如下：
TO-252/D-PAK封装尺寸规格 TO-263是TO-220的一个变种，主要是为了提高生产效率和散热而设计，支持极高的电流和电压，在150A以下、30V以上的中压大电流MOS管中较为多见。 除了D2PAK(TO-263AB)之外，还包括TO263-2、TO263-3、TO263-5、TO263-7等样式，与TO-263为从属关系，主要是引出脚数量和距离不同。
PGA封装样式 其芯片基板多数为陶瓷材质，也有部分采用特制的塑料树脂来做基板，在工艺上，引脚中心距通常为2.54mm，引脚数从64到447不等。 这种封装的特点是，封装面积(体积)越小，能够承受的功耗(性能)就越低，反之则越高。这种封装形式芯片在早期比较多见，且多用于CPU等大功耗产品的封装，如英特尔的80486、Pentium均采用此封装样式;不大为MOS管厂家所采纳。 4、小外形晶体管封装(SOT) SOT(Small Out-Line Transistor)是贴片型小功率晶体管封装，主要有SOT23、SOT89、SOT143、SOT25(即SOT23-5)等，又衍生出SOT323、SOT363/SOT26(即SOT23-6)等类型，体积比TO封装小。
常见SOT封装外形比较 主板上常用四端引脚的SOT-89 MOSFET。其规格尺寸如下： SOT-89 MOSFET尺寸规格(单位：mm) 5、小外形封装(SOP) SOP(Small Out-Line Package)是表面贴装型封装之一，也称之为SOL或DFP，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。 SOP封装标准有SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28等，SOP后面的数字表示引脚数。MOSFET的SOP封装多数采用SOP-8规格，业界往往把“P”省略，简写为SO(Small Out-Line)。 SOP-8封装尺寸 SO-8为PHILIP公司率先开发，采用塑料封装，没有散热底板，散热不良，一般用于小功率MOSFET。 后逐渐派生出TSOP(薄小外形封装)、VSOP(甚小外形封装)、SSOP(缩小型SOP)、TSSOP(薄的缩小型SOP)等标准规格;其中TSOP和TSSOP常用于MOSFET封装。
常用于MOS管的SOP派生规格 6、方形扁平式封装(QFP) QFP(Plastic Quad Flat Package)封装的芯片引脚之间距离很小，管脚很细，一般在大规模或超大型集成电路中采用，其引脚数一般在100个以上。 用这种形式封装的芯片必须采用SMT表面安装技术将芯片与主板焊接起来。该封装方式具有四大特点： ①适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线;②适合高频使用;③操作方便，可靠性高;④芯片面积与封装面积之间的比值较小。 与PGA封装方式一样，该封装方式将芯片包裹在塑封体内，无法将芯片工作时产生的热量及时导出，制约了MOSFET性能的提升;而且塑封本身增加了器件尺寸，不符合半导体向轻、薄、短、小方向发展的要求;另外，此类封装方式是基于单颗芯片进行，存在生产效率低、封装成本高的问题。 因此，QFP更适于微处理器/门陈列等数字逻辑LSI电路采用，也适于VTR信号处理、音响信号处理等模拟LSI电路产品封装。 7、四边无引线扁平封装(QFN) QFN(Quad Flat Non-leaded package)封装四边配置有电极接点，由于无引线，贴装表现出面积比QFP小、高度比QFP低的特点;其中陶瓷QFN也称为LCC(Leadless Chip Carriers)，采用玻璃环氧树脂印刷基板基材的低成本塑料QFN则称为塑料LCC、PCLC、P-LCC等。 是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴表面贴装芯片封装技术。 QFN主要用于集成电路封装，MOSFET不会采用。不过因Intel提出整合驱动与MOSFET方案，而推出了采用QFN-56封装(“56”指芯片背面有56个连接Pin)的DrMOS。 需要说明的是，QFN封装与超薄小外形封装(TSSOP)具有相同的外引线配置，而其尺寸却比TSSOP的小62%。根据QFN建模数据，其热性能比TSSOP封装提高了55%，电性能(电感和电容)比TSSOP封装分别提高了60%和30%。最大的缺点则是返修难度高。
采用QFN-56封装的DrMOS 传统的分立式DC/DC降压开关电源无法满足对更高功耗密度的要求，也不能解决高开关频率下的寄生参数影响问题。 随着技术的革新与进步，把驱动器和MOSFET整合在一起，构建多芯片模块已经成为了现实，这种整合方式同时可以节省相当可观的空间从而提升功耗密度，通过对驱动器和MOS管的优化提高电能效率和优质DC电流，这就是整合驱动IC的DrMOS。
瑞萨第2代DrMOS 经过QFN-56无脚封装，让DrMOS热阻抗很低;借助内部引线键合以及铜夹带设计，可最大程度减少外部PCB布线，从而降低电感和电阻。 另外，采用的深沟道硅(trench silicon)MOSFET工艺，还能显著降低传导、开关和栅极电荷损耗;并能兼容多种控制器，可实现不同的工作模式，支持主动相变换模式APS(Auto Phase Switching)。 除了QFN封装外，双边扁平无引脚封装(DFN)也是一种新的电子封装工艺，在安森美的各种元器件中得到了广泛采用，与QFN相比，DFN少了两边的引出电极。8、塑封有引线芯片载体(PLCC) PLCC(Plastic Quad Flat Package)外形呈正方形，尺寸比DIP封装小得多，有32个引脚，四周都有管脚，引脚从封装的四个侧面引出，呈丁字形，是塑料制品。 其引脚中心距1.27mm，引脚数从18到84不等，J形引脚不易变形，比QFP容易操作，但焊接后的外观检查较为困难。PLCC封装适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线，具有外形尺寸小、可靠性高的优点。 PLCC封装是比较常见，用于逻辑LSI、DLD(或程逻辑器件)等电路，主板BIOS常采用的这种封装形式，不过目前在MOS管中较少见。
PLCC封装样式 主流企业的封装与改进 由于CPU的低电压、大电流的发展趋势，对MOSFET提出输出电流大，导通电阻低，发热量低散热快，体积小的要求。MOSFET厂商除了改进芯片生产技术和工艺外，也不断改进封装技术，在与标准外形规格兼容的基础上，提出新的封装外形，并为自己研发的新封装注册商标名称。 1、瑞萨(RENESAS)WPAK、LFPAK和LFPAK-I封装WPAK是瑞萨开发的一种高热辐射封装，通过仿D-PAK封装那样把芯片散热板焊接在主板上，通过主板散热，使小形封装的WPAK也可以达到D-PAK的输出电流。WPAK-D2封装了高/低2颗MOSFET，减小布线电感。
瑞萨WPAK封装尺寸 LFPAK和LFPAK-I是瑞萨开发的另外2种与SO-8兼容的小形封装。LFPAK类似D-PAK，但比D-PAK体积小。LFPAK-i是将散热板向上，通过散热片散热。
200。根据查询相关信息显示，1a等于10瓦。瓦即功率，按电工学原理：功率等于电压乘以电流，功率和电压、电流是相关联的，如电源电压是10伏，通过负载的电流是1A则功率是10瓦。如电源电压是220伏，通过负载的电流是1A则功率是。
图1 RDS(on)在最高工作温度的30%～150%这个范围内随温度增加而增加 导通电阻对N沟道和P沟道MOSFET都是十分重要的。在开关电源中，Qg是用在开关电源里的N沟道MOSFET的关键选择标准，因为Qg会影响开关损耗。这些损耗有两个方面影响：一个是影响MOSFET导通和关闭的转换时间；另一个是每次开关过程中对栅极电容充电所需的能量。要牢记的一点是，Qg取决于栅源电压，即使用更低的Vgs可以减少开关损耗。 作为一种快速比较准备用在开关应用里MOSFET的方式，设计者经常使用一个单数公式，公式包括表示传导损耗RDS(on)及表示开关损耗的Qg：RDS(on) xQg。这个“优值系数”(FOM)总结了器件的性能，可以用典型值或最大值来比较MOSFET。要保证在器件中进行准确的比较，你需要确定用于RDS(on) 和Qg的是相同的VGS，在公示里典型值和最大值没有碰巧混在一起。较低的FOM能让你在开关应用里获得更好的性能，但是不能保证这一点。只有在实际的电路里才能获得最好的比较结果，在某些情况下可能需要针对每个MOSFET对电路进行微调。 额定电流和功率耗散 基于不同的测试条件，大多数MOSFET在数据表里都有一个或多个的连续漏极电流。你要仔细看看数据表，搞清楚这个额定值是在指定的外壳温度下(比如TC = 25℃)，或是环境温度(比如TA = 25℃)。这些数值当中哪些是最相关将取决于器件的特性和应用(见图2)。
是200w。200vac是多少瓦的意思是用电器在200伏特交流电的情况下工作也即是200w。VAC代表交流电压。其中V是电压的单位，表示电压，是伏特的意思。
图2 全部绝对最大电流和功率数值都是真实的数据 对于用在手持设备里的小型表面贴装器件，关联度最高的电流等级可能是在70℃环境温度下的电流，对于有散热片和强制风冷的大型设备，在TA = 25℃下的电流等级可能更接近实际情况。对于某些器件来说，管芯在其最高结温下能够处理的电流要高于封装所限定的电流水平，在一些数据表，这种“管芯限定”的电流等级是对“封装限定”电流等级的额外补充信息，可以让你了解管芯的鲁棒性。 对于连续的功率耗散也要考虑类似的情况，功耗耗散不仅取决于温度，而且取决于导通时间。设想一个器件在TA= 70℃情况下，以PD=4W连续工作10秒钟。构成“连续”时间周期的因素会根据MOSFET封装而变化，所以你要使用数据表里的标准化热瞬态阻抗图，看经过10秒、100秒或10分钟后的功率耗散是什么样的。如图3所示，这个专用器件经过10秒脉冲后的热阻系数大约是0.33，这意味着经过大约10分钟后，一旦封装达到热饱和，器件的散热能力只有1.33W而不是4W，尽管在良好冷却的情况下器件的散热能力可以达到2W左右。
图3 MOSFET在施加功率脉冲情况下的热阻 实际上，我们可以把MOSFET选型分成四个步骤。
第一步：选用N沟道还是P沟道 为设计选择正确器件的第一步是决定采用N沟道还是P沟道MOSFET。在典型的功率应用中，当一个MOSFET接地，而负载连接到干线电压上时，该MOSFET就构成了低压侧开关。在低压侧开关中，应采用N沟道MOSFET，这是出于对关闭或导通器件所需电压的考虑。当MOSFET连接到总线及负载接地时，就要用高压侧开关。通常会在这个拓扑中采用P沟道MOSFET，这也是出于对电压驱动的考虑。要选择适合应用的器件，必须确定驱动器件所需的电压，以及在设计中最简易执行的方法。下一步是确定所需的额定电压，或者器件所能承受的最大电压。额定电压越大，器件的成本就越高。根据实践经验，额定电压应当大于干线电压或总线电压。这样才能提供足够的保护，使MOSFET不会失效。就选择MOSFET而言，必须确定漏极至源极间可能承受的最大电压，即最大VDS。知道MOSFET能承受的最大电压会随温度而变化这点十分重要。设计人员必须在整个工作温度范围内测试电压的变化范围。额定电压必须有足够的余量覆盖这个变化范围，确保电路不会失效。设计工程师需要考虑的其他安全因素包括由开关电子设备(如电机或变压器)诱发的电压瞬变。不同应用的额定电压也有所不同；通常，便携式设备为20V、FPGA电源为20～30V、85～220VAC应用为450～600V。
第二步：确定额定电流 第二步是选择MOSFET的额定电流。视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，设计人员必须确保所选的MOSFET能承受这个额定电流，即使在系统产生尖峰电流时。两个考虑的电流情况是连续模式和脉冲尖峰。在连续导通模式下，MOSFET处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌(或尖峰电流)流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件便可。 选好额定电流后，还必须计算导通损耗。在实际情况下，MOSFET并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，这称之为导通损耗。MOSFET在“导通”时就像一个可变电阻，由器件的RDS(ON)所确定，并随温度而显著变化。器件的功率耗损可由Iload2×RDS(ON)计算，由于导通电阻随温度变化，因此功率耗损也会随之按比例变化。对MOSFET施加的电压VGS越高，RDS(ON)就会越小；反之RDS(ON)就会越高。对系统设计人员来说，这就是取决于系统电压而需要折中权衡的地方。对便携式设计来说，采用较低的电压比较容易(较为普遍)，而对于工业设计，可采用较高的电压。注意RDS(ON)电阻会随着电流轻微上升。关于RDS(ON)电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到。 技术对器件的特性有着重大影响，因为有些技术在提高最大VDS时往往会使RDS(ON)增大。对于这样的技术，如果打算降低VDS和RDS(ON)，那么就得增加晶片尺寸，从而增加与之配套的封装尺寸及相关的开发成本。业界现有好几种试图控制晶片尺寸增加的技术，其中最主要的是沟道和电荷平衡技术。 在沟道技术中，晶片中嵌入了一个深沟，通常是为低电压预留的，用于降低导通电阻RDS(ON)。为了减少最大VDS对RDS(ON)的影响，开发过程中采用了外延生长柱/蚀刻柱工艺。例如，飞兆半导体开发了称为SuperFET的技术，针对RDS(ON)的降低而增加了额外的制造步骤。 这种对RDS(ON)的关注十分重要，因为当标准MOSFET的击穿电压升高时，RDS(ON)会随之呈指数级增加，并且导致晶片尺寸增大。SuperFET工艺将RDS(ON)与晶片尺寸间的指数关系变成了线性关系。这样，SuperFET器件便可在小晶片尺寸，甚至在击穿电压达到600V的情况下，实现理想的低RDS(ON)。结果是晶片尺寸可减小达35%。而对于最终用户来说，这意味着封装尺寸的大幅减小。
第三步：确定热要求 选择MOSFET的下一步是计算系统的散热要求。设计人员必须考虑两种不同的情况，即最坏情况和真实情况。建议采用针对最坏情况的计算结果，因为这个结果提供更大的安全余量，能确保系统不会失效。在MOSFET的资料表上还有一些需要注意的测量数据；比如封装器件的半导体结与环境之间的热阻，以及最大的结温。 器件的结温等于最大环境温度加上热阻与功率耗散的乘积(结温=最大环境温度+[热阻×功率耗散])。根据这个方程可解出系统的最大功率耗散，即按定义相等于I2×RDS(ON)。由于设计人员已确定将要通过器件的最大电流，因此可以计算出不同温度下的RDS(ON)。值得注意的是，在处理简单热模型时，设计人员还必须考虑半导体结/器件外壳及外壳/环境的热容量；即要求印刷电路板和封装不会立即升温。 雪崩击穿是指半导体器件上的反向电压超过最大值，并形成强电场使器件内电流增加。该电流将耗散功率，使器件的温度升高，而且有可能损坏器件。半导体公司都会对器件进行雪崩测试，计算其雪崩电压，或对器件的稳健性进行测试。计算额定雪崩电压有两种方法；一是统计法，另一是热计算。而热计算因为较为实用而得到广泛采用。不少公司都有提供其器件测试的详情，如飞兆半导体提供了“Power MOSFET Avalanche Guidelines”（ Power MOSFET Avalanche Guidelines--可以到Fairchild网站去下载）。除计算外，技术对雪崩效应也有很大影响。例如，晶片尺寸的增加会提高抗雪崩能力，最终提高器件的稳健性。对最终用户而言，这意味着要在系统中采用更大的封装件。
第四步：决定开关性能 选择MOSFET的最后一步是决定MOSFET的开关性能。影响开关性能的参数有很多，但最重要的是栅极/漏极、栅极/ 源极及漏极/源极电容。这些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。MOSFET的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关闭过程中的损耗(Eoff)。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达：Psw=(Eon+Eoff)×开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最大。 基于开关性能的重要性，新的技术正在不断开发以解决这个开关问题。芯片尺寸的增加会加大栅极电荷；而这会使器件尺寸增大。为了减少开关损耗，新的技术如沟道厚底氧化已经应运而生，旨在减少栅极电荷。举例说，SuperFET这种新技术就可通过降低RDS(ON)和栅极电荷(Qg)，最大限度地减少传导损耗和提高开关性能。这样，MOSFET就能应对开关过程中的高速电压瞬变(dv/dt)和电流瞬变(di/dt)，甚至可在更高的开关频率下可靠地工作。
