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利用双MOSFET最大限度地提高开关转换器应用的功率密度和性能

关键词:MOSFET 开关转换器

时间:2024-03-28 10:46:55      来源:DigiKey

工业和汽车开关转换器和电机驱动器都需要体积小、效率高、电气噪声低的金属氧化物硅场效应晶体管 (MOSFET)。双 MOSFET 方法有助于满足这些要求。

作者:Jens Wallmann

工业和汽车开关转换器和电机驱动器都需要体积小、效率高、电气噪声低的金属氧化物硅场效应晶体管 (MOSFET)。双 MOSFET 方法有助于满足这些要求。

设计精良的双 MOSFET 将两个 MOSFET 置于在一个封装内,减小了在印刷电路板 (PCB) 上的占用空间,降低了寄生电感并通过改善散热性能,取消了体积庞大、成本高昂的散热器。这类器件可在数百千赫兹 (kHz) 频率下进行无干扰开关操作,在很宽的温度范围内稳定工作,而且漏电流很低。然而,设计人员必须了解这类器件的工作特性,才能充分认识其优势。

本文以 Nexperia 的双 MOSFET 为例进行介绍,并说明设计人员如何使用这类器件来应对坚固耐用、效率高和空间受限型设计的挑战。本文讨论电路优化和 PCB 设计方法,并提供热电仿真和损耗分析的技巧。

高开关速度下效率更高

双 MOSFET 适合许多汽车 (AEC-Q101) 和工业应用,包括 DC/DC 开关转换器、电机逆变器和电磁阀控制器。这些应用可在开关对和半桥拓扑结构以及其他配置中使用双 MOSFET。

Nexperia LFPAK56D 系列是值得一提的双 MOSFET 器件。该系列器件采用了 Nexperia 的铜夹技术,具有超强的电流能力、低封装阻抗和高可靠性(图 1,右)。这些实心铜夹改善了从半导体基板通过焊接点到 PCB 的散热性能,使约 30% 的总热量通过源引脚消散。大铜截面还能降低阻性功率耗散,并通过减少寄生线路电感来抑制瞬时振荡。


图 1:LFPAK56D 封装(右)集成了两个独立的 MOSFET,并使用与 LFPAK56 单 MOSFET 封装(左)类似的铜夹结构。(图片来源:Nexperia)

与大多数用于高压开关转换器的部件一样,LFPAK56D 采用了超结技术。这种设计减小了漏源极“导通”电阻 (RDS(on))和栅漏极电荷 (QGD) 参数,从而最大限度地减少了功率损耗。在同一基板上运行两个 MOSFET,可进一步降低漏源极电阻。

正如超结 MOSFET 一样,LFPAK56D 系列具有很强的雪崩事件抵抗能力,并具有很宽的安全工作区 (SOA)。例如,PSMN029-100HLX TrenchMOS 器件中的每个 100 V MOSFET 都具有 29 mΩ RDS(on),可处理 68 W 功率,并能够能通过高达 30 A 的电流。

LFPAK56D 系列还采用了 NXP 的 SchottkyPlus 技术,以减少尖峰和漏电流。例如,PSMN014-40HLDX 的 RDS(on) 典型值通常为 11.4 mΩ,且漏源极漏电流极低,仅为 10 nA。

要充分发挥 MOSFET 的大电流优势,印刷电路板的设计必须能散发高热量并确保电气连接稳定可靠。多层印刷电路板具有足够多的过孔和大而粗的铜导体轨迹,可确保高散热性能。

避免出现热击穿

虽然完全接通的功率 MOSFET 具有热稳定性,但当漏电流 (ID) 较低时,就会有热击穿风险。在这种工作状态下,局部发热往往会降低栅源极的阈值电压 (VGS(th)),这意味着器件更容易导通。这就造成了一种正反馈情况,更多的电流会导致发热更多、VGS(th) 更低。

图 2 显示了恒定漏源极电压 (VDS) 下的这种效应。随着 VGS 的增大,会出现一个称为零温度系数 (ZTC) 的临界 ID。大于该电流时,存在负反馈并具有热稳定性(蓝色区域);小于该电流时,阈值压降会占主导地位,造成可导致热击穿的热不稳定工作点(红色区域)。


图 2:低于 ZTC 点时,MOSFET 会因热效应导致 VGS 下降(红色区域)而进入热击穿状态。(图片来源:Nexperia)

这种效应降低了低电流和高漏源极电压下的 SOA。对于具有陡峭 dV/dt 斜坡的快速开关操作来说,这并不是一个大问题。然而,随着开关操作持续时间的增加,例如为了减少电磁干扰,出现热不稳定性的可能性增大,并存在潜在危险。

降低高频开关损耗

为快速开关应用选择超结 MOSFET 时,低 QGD 至关重要,因为该参数会显著降低开关损耗。

当漏极、栅极和源极之间同时出现显著的电压和电流变化时,开关操作过程中就会出现高功率损耗。较低的 QGD 会导致出现较短的米勒平台 (Miller Plateau)(图 3,左侧),从而导致陡峭的开关斜率 (dVds/dt),最终降低开关导通期间的动态能量损耗(图 3,右侧蓝色区域)。


图 3:较短的米勒平台(左侧)意味着陡峭的开关斜率,从而导致较低的动态损耗(右侧的蓝色区域)。Vgp 是米勒平台的栅源电压;VTH 是栅极阈值电压;IDS 是漏源电流。(图片来源:Vishay)

抑制雪崩能量并保护 MOSFET

在电机驱动应用中,定子线圈关断时,坍缩磁场会维持电流流动,从而在 MOSFET 上产生叠加在电源电压 (VDD) 上的高感应电压。然而,MOSFET 体二极管的反向击穿电压 (VBR) 会限制该高电压。在所谓的雪崩效应中,MOSFET 将流出的磁能转换为雪崩能量 (EDS),直至线圈电流降至零。这会使半导体晶体迅速过热。

图 4 所示为带有 MOSFET 开关的简单线圈控制,以及单次雪崩事件发生前、发生期间(时间窗口 tAL)和发生后的时间信号。如果雪崩能量耗散量 (EDS(AL)S) 过高,由此产生的热量将损坏半导体结构。


图 4:MOSFET 在单次雪崩事件之前、期间 (tAL) 和之后的时序信号。(图片来源:Nexperia)

LFPAK56D MOSFET 采用了坚固耐用的设计。根据 Nexperia 实验室测试结果,该器件可承受数十亿次雪崩事件而不会损坏。考虑到最大雪崩能量,线圈驱动器级可以不使用额外的续流或箝位二极管,只使用这些 MOSFET 的雪崩工作。

电热的在线仿真

要提高系统效率,仅靠简单的品质因数 (FOM),如 RDS x QGD 产品是不够的。相反,设计人员需要进行更精确的损耗分析,具体包括考虑以下原因造成的 MOSFET 损耗:

· 导通传导性
· 导通和关断损耗
· 输出电容的充放电
· 体二极管的连续性和开关损耗
· 栅极电容的充电和放电

为了最大限度地降低总损耗,设计人员必须了解 MOSFET 参数与工作环境之间的关系。为此,Nexperia 为 MOSFET 建立了精密的电热模型。这些模型结合了电气和热性能,并可反映 MOSFET 的所有重要特性。开发人员可使用 PartQuest Explore 在线仿真器,或将 SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型导入其所选择的仿真平台。

在撰写报告时,仅提供 LFPAK56D MOSFET 的电气型号。因此,下面的热仿真示例涉及不同类型的 MOSFET,即 BUK7S1R0-40H。

IAN50012 的功率 MOSFET 电热模型互动实验对 BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 负载电流后的三种发热情况进行了仿真。图 5 左侧所示为三种仿真设置。


图 5:所示为使用 PartQuest Explore 在线仿真器对 MOSFET 进行的电热仿真。(图片来源:Nexperia)

在上部“tj_no_self_heating”(无自发热)情况下,接线端和安装底座直接与 0°C 环境温度 (Tamb) 相耦合,且无热阻 (Rth)。在中间的“tj_self_heating”(自发热)情况下,芯片通过 Rth-j 耦合,且 Tj 升约 0.4°C。下部所示为安装底座 (mb),通过带有散热片的六层 FR4 电路板的 Rth_mb 与环境温度耦合。Tmb(绿色)上升至 3.9°C,Tj(红色)上升至 4.3°C。

结语

LFPAK56D MOSFET 具有超低损耗,可为快速开关转换器或电机驱动器提供出色的效率和功率密度。本文讨论了电路和热 PCB 设计考虑因素以及电热仿真,说明了设计人员如何克服坚固耐用、空间受限的高效设计所带来的各种挑战。

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