寄生電感和MOSFET的交互關(guān)系是什么

　　高效率已成為開關(guān)電源（SMPS）設(shè)計(jì)的必需要求。為了達(dá)成這一要求，越來越多許多功率半導(dǎo)體研究人員開發(fā)了快速開關(guān)器件，舉例來說，降低器件的寄生電容，并實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，以降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。這些快速開關(guān)器件容易觸發(fā)開關(guān)瞬態(tài)過沖。這對SMPS設(shè)計(jì)中電路板布局帶來了困難，并且容易引起了柵極信號(hào)振蕩。為了克服開關(guān)瞬態(tài)過沖，設(shè)計(jì)人員通常采取的做法是借助緩沖電路提高柵極電阻阻值，以減慢器件開關(guān)速度，抑制過沖，但這會(huì)造成相對較高的開關(guān)損耗。對于采用標(biāo)準(zhǔn)通孔封裝的快速開關(guān)器件，總是存在效率與易用性的折衷問題。

　　在處理電路板布局和器件封裝產(chǎn)生的寄生電感時(shí)，快速開關(guān)器件接通和關(guān)斷控制是關(guān)鍵問題。 特別是，封裝源極寄生電感是是器件控制的關(guān)鍵因素。在本文中，英飛凌提出了一種用于快速開關(guān)超結(jié)MOSFET的最新推出的TO247 4引腳器件封裝解決方案。這個(gè)解決方案將源極連接分為兩個(gè)電流路徑；一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)功率連接，另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器連接。這樣一來，器件就能保持快的開關(guān)速度，同時(shí)又不必犧牲接通和關(guān)斷控制能力。

　　本文編排如下：在第二節(jié)，將利用硬開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器來分析并開發(fā)一個(gè)簡單的高頻模型，該模型采用了具備MOSFET寄生參數(shù)和電路板寄生參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)通孔封裝傳統(tǒng)的TO247（即：電源電流路徑和驅(qū)動(dòng)電流路徑是相同的）。第三節(jié)將對最新推出的TO247 4引腳封裝做詳盡的電路分析，以表明TO247 4引腳封裝在開關(guān)速度、效率和驅(qū)動(dòng)能力等方面的有效性。最后，第四節(jié)分析了實(shí)驗(yàn)波形和效率測量，以驗(yàn)證最新推出的TO247 4引腳封裝的性能。

　　II.分析升壓轉(zhuǎn)換器中采用傳統(tǒng)的TO247封裝的MOSFET

　　A.開關(guān)瞬態(tài)下的MOSFET操作時(shí)序

　　要分析快速開關(guān)MOSFET中的封裝寄生電感產(chǎn)生的影響，必須十分理解MOSFET工作處理。硬開關(guān)關(guān)斷通常出現(xiàn)在硬開關(guān)拓?fù)浜土汶妷洪_關(guān)拓?fù)渲小１拘」?jié)將逐步分析MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)操作。圖1所示為硬開關(guān)關(guān)斷瞬態(tài)下，理想MOSFET的工作波形和工作順序。

　　圖1 升壓轉(zhuǎn)換器中的MOSFET的典型關(guān)斷瞬態(tài)波形

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后，即開始階段1 ［t=t1］操作，柵極與源極之間的MOSFET電容器Cgs將開始放電。此時(shí)，MOSFET阻斷特性保持不變。這個(gè)t1階段被稱為延時(shí)，它表征著MOSFET的響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)MOSFET柵源電壓Vgs達(dá)到柵極平臺(tái)電壓Vgs（Miller）時(shí)，這個(gè)階段便告結(jié)束。

　　當(dāng)Vgs與Vgs（Miller） 相等之后，將進(jìn)入階段2 ［t=t2］，在此期間，其電壓水平將保持不變。負(fù)載電流將對漏極與源極之間的MOSFET電容器Cds進(jìn)行充電，以重建空間電荷區(qū)。這個(gè)階段將一直持續(xù)至MOSFET漏源電壓Vds達(dá)到電路輸出電壓時(shí)為止。

　　階段3 ［t=t3］ ，Cgs將繼續(xù)放電。漏電流Id和Vgs開始線性下降，阻斷MOSFET導(dǎo)通通道。當(dāng)Vgs 與柵極閾值電壓Vgs（th）相等，并且Id變?yōu)榱銜r(shí)，這個(gè)階段即結(jié)束。這個(gè)階段結(jié)束后，MOSFET將完全關(guān)斷。

　　階段4 ［t=t4］ ，柵極驅(qū)動(dòng)對Cgs持續(xù)放電，直至Vgs電壓水平變?yōu)榱恪?/p>

　　B.傳統(tǒng)的TO247封裝MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)特性分析

　　利用升壓轉(zhuǎn)換器，評估了封裝寄生電感對MOSFET開關(guān)特性的影響。圖2所示為傳統(tǒng)的TO247 MOSFET等效模型的詳情，以及升壓轉(zhuǎn)換器電路和寄生電感的詳情。對于MOSFET模型， 3個(gè)電容為硅結(jié)構(gòu)，分別位于各個(gè)連接引腳之間：柵漏電容Cgd、漏源電容Cds和柵源電容Cgs。鍵合絲產(chǎn)生了MOSFET寄生電感：柵極寄生電感Lg1、漏極寄生電感Ld1和源極寄生電感Ls1。這個(gè)模型也包含了電路板電路布局產(chǎn)生的雜散電感：Ld2、Ld3、Lg2和Ls2。分析中，LS等于Ls1+Ls2，Lg等于Lg1+Lg2，RG等于Int.Rg+Ext.Rg。

　　圖2. 升壓轉(zhuǎn)換器中的TO247封裝MOSFET等效模型和寄生電感

　　參照小節(jié)A中討論的關(guān)斷瞬態(tài)順序，源極電感LS主要在瞬態(tài)階段3影響到MOSFET開關(guān)特性。柵極驅(qū)動(dòng)路徑顯示為紅色，漏電流在藍(lán)色環(huán)路上流動(dòng)。快速電流瞬態(tài)過程中，LS 引發(fā)電壓降VLs，這能抵消會(huì)降低驅(qū)動(dòng)能力和減慢器件速度的柵極電壓。

　　通過在驅(qū)動(dòng)環(huán)路上運(yùn)用基爾霍夫電壓定律，柵源電壓Vgs（t）可以表示為：

　　其中，是關(guān)斷階段驅(qū)動(dòng)電壓。

　　根據(jù)等式1，t3時(shí)間段內(nèi)，漏極電流變化速率dId/dt可以求解為：

　　從等式（2）和（3）可知，源極電感可以減慢開關(guān)瞬態(tài)，加劇開關(guān)過程中的有關(guān)能耗。在傳統(tǒng)的TO247 MOSFET配置中，電路源極電感是MOSFET封裝源電感Ls1與電路板布局源極電感Ls2之和。始終必須最大限度地降低封裝源和電路板寄生的源極電感，因?yàn)槎呔鶠殛P(guān)鍵控制要素。 較之采用通孔封裝的MOSFET，通過將無引線SMD封裝用于MOSFET，可以最大限度地降低封裝中的寄生源電感。 因此，采用SMD封裝的MOSFET也能實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)，同時(shí)降低開關(guān)損耗。適用于4引腳器件的SMD封裝名為“ThinkPAK 8X8”。

　　III.分析升壓轉(zhuǎn)換器中采用最新推出的TO247 4引腳封裝的MOSFET

　　英飛凌已經(jīng)在CoolMOS系列器件中推出新的封裝概念“4引線封裝”，其中，通孔封裝名為“TO-247 4PIN”。如圖3中的虛線框內(nèi)所示，最新推出的TO-247 4引腳模型提供了一個(gè)額外的源極連接引腳。在內(nèi)部連接中，引腳分離始于芯片內(nèi)部，充當(dāng)開爾文源。電源引腳“S”為電源接地提供了連接。開爾文源引腳，源-感側(cè)引腳“SS”直接連接至驅(qū)動(dòng)器地線，以便將驅(qū)動(dòng)電流與電源電流路徑分離。

　　由于源極分離，瞬態(tài)過程中源極電感對柵極驅(qū)動(dòng)電路的影響將被消除。參見圖3，驅(qū)動(dòng)環(huán)路顯示為紅色，漏極電流環(huán)路不再相互作用。源電感引起的壓降不再影響柵源電壓Vgs（t）。如第二節(jié)中所討論，階段3時(shí)的柵源電壓Vgs（t）為

　　其中， LG 等于 Lg1+Lg2+Lss。

　　圖3. 升壓轉(zhuǎn)換器中的TO247 4引腳封裝MOSFET等效模型

　　對應(yīng)的時(shí)間段t3和漏極電流變化速率dId/dt可表示為：

　　從等式（5）和（6）可知，影響MOSFET電流速率的源極引腳電感被消除了。根據(jù)等式（2）和（5），較之TO247封裝MOSFET，這縮短了器件的開關(guān)速度，降低了開關(guān)損耗。最新推出的TO247 4引腳MOSFET可實(shí)現(xiàn)相對較快的開關(guān)動(dòng)作，從而降低開關(guān)損耗。

　　IV.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　A.實(shí)驗(yàn)測試波形

　　將升壓PFC轉(zhuǎn)換器用作測量平臺(tái)，進(jìn)行評估。傳統(tǒng)的TO247封裝MOSFET和最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET將被用作平臺(tái)主用開關(guān)器件，以驗(yàn)證最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET優(yōu)于傳統(tǒng)的TO247封裝的開關(guān)性能和柵極控制能力。

　　圖4所示為傳統(tǒng)的TO247封裝（上）和最新推出的TO247 4引腳封裝（下）的硬開關(guān)關(guān)斷波形對比。根據(jù)測得波形，從Vds（t）（藍(lán)色波形）到Id（t） （黃色波形）的TO247 4引腳封裝MOSFET的穿過時(shí)間，比最新推出的TO247封裝MOSFET縮短了約40%。Vds 與ID 的重疊越少，意味著開關(guān)損耗越低。較之于傳統(tǒng)的TO247封裝，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET的振蕩幅度Vgs （t） （紫色波形）也降低了30%。因此，最新推出的TO247 4引腳封裝提供了更加可靠的開關(guān)控制。
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　　圖4. TO247封裝MOSFET（上）和TO247 4引腳封裝MOSFET（下）的MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)波形。試驗(yàn)條件：Ext. Rg=5 Ω，12 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓、試驗(yàn)器件IPZ65R019C7

　　最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET切換時(shí)間，比傳統(tǒng)的TO247封裝短。得益于開關(guān)損耗降低，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET實(shí)現(xiàn)了更高效率，如圖5所示。在輸入電壓為110 Vac的滿負(fù)荷試驗(yàn)條件下，相比于傳統(tǒng)的TO247封裝的試驗(yàn)結(jié)果，最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET的效率提高了0.2%。在高電壓情況下，即當(dāng)輸入電壓為220 Vac時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了與之一致的效率提升。

　　圖5. 在110 Vac 輸入電壓條件下，TO247 4引腳封裝MOSFET與TO247封裝MOSFET的PFC效率對比。測試條件：Ext. Rg=5 Ω，開關(guān)頻率=100 kHz，測試器件：具備相同硅芯片的IPW65R019C7（TO247）和IPZ65R019C7（TO247 4引腳）

　　V.結(jié)語

　　本文分析了快速開關(guān)MOSFET封裝寄生電感對開關(guān)性能的影響。封裝源電感是決定切換時(shí)間的關(guān)鍵參數(shù)，后者與開關(guān)速度和開關(guān)可控性密切相關(guān)。英飛凌最新推出的TO247 4引腳封裝MOSFET能最大限度地減少傳統(tǒng)的TO247封裝寄生電感造成的不利影響，實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)效率。

　　雙向開關(guān)電感電路圖分析設(shè)計(jì)

　　運(yùn)行在QⅢ和QⅣ象限的二象限變換器如圖所示，它是由二個(gè)開關(guān)，二個(gè)二極管和僅用一個(gè)電感L組成的。通常認(rèn)為源電壓V1和負(fù)載電壓V2都是恒定電壓。負(fù)載電壓V2可以是蓄電池或電動(dòng)機(jī)的反電勢（EMF）。因?yàn)殡娐肥峭耆珜ΨQ的，所以電路的任一端都可以是電源端或負(fù)載端。源電壓不一定要高于負(fù)載電壓。R是電路的等效電阻。有兩種運(yùn)行模式：

　　（1）模式C（象限Ⅲ）：電能由V1端向V2端傳遞；

　　（2）模式D（象限Ⅳ）：電能由V2端向V1端傳遞。