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利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能

發(fā)布時間:2024-03-29 責任編輯:lina

【導讀】工業(yè)和汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器都需要體積小、效率高、電氣噪聲低的金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。雙 MOSFET 方法有助于滿足這些要求。


工業(yè)和汽車開關(guān)轉(zhuǎn)換器和電機驅(qū)動器都需要體積小、效率高、電氣噪聲低的金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。雙 MOSFET 方法有助于滿足這些要求。

設(shè)計精良的雙 MOSFET 將兩個 MOSFET 置于在一個封裝內(nèi),減小了在印刷電路板 (PCB) 上的占用空間,降低了寄生電感并通過改善散熱性能,取消了體積龐大、成本高昂的散熱器。這類器件可在數(shù)百千赫茲 (kHz) 頻率下進行無干擾開關(guān)操作,在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,而且漏電流很低。然而,設(shè)計人員必須了解這類器件的工作特性,才能充分認識其優(yōu)勢。

本文以 Nexperia 的雙 MOSFET 為例進行介紹,并說明設(shè)計人員如何使用這類器件來應(yīng)對堅固耐用、效率高和空間受限型設(shè)計的挑戰(zhàn)。本文討論電路優(yōu)化和 PCB 設(shè)計方法,并提供熱電仿真和損耗分析的技巧。

高開關(guān)速度下效率更高

雙 MOSFET 適合許多汽車 (AEC-Q101) 和工業(yè)應(yīng)用,包括 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器、電機逆變器和電磁閥控制器。這些應(yīng)用可在開關(guān)對和半橋拓撲結(jié)構(gòu)以及其他配置中使用雙 MOSFET。

Nexperia LFPAK56D 系列是值得一提的雙 MOSFET 器件。該系列器件采用了 Nexperia 的銅夾技術(shù),具有超強的電流能力、低封裝阻抗和高可靠性(圖 1,右)。這些實心銅夾改善了從半導體基板通過焊接點到 PCB 的散熱性能,使約 30% 的總熱量通過源引腳消散。大銅截面還能降低阻性功率耗散,并通過減少寄生線路電感來抑制瞬時振蕩。



利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能圖 1:LFPAK56D 封裝(右)集成了兩個獨立的 MOSFET,并使用與 LFPAK56 單 MOSFET 封裝(左)類似的銅夾結(jié)構(gòu)。(圖片來源:Nexperia)


與大多數(shù)用于高壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器的部件一樣,LFPAK56D 采用了超結(jié)技術(shù)。這種設(shè)計減小了漏源極“導通”電阻 (RDS(on))和柵漏極電荷 (QGD) 參數(shù),從而最大限度地減少了功率損耗。在同一基板上運行兩個 MOSFET,可進一步降低漏源極電阻。

正如超結(jié) MOSFET 一樣,LFPAK56D 系列具有很強的雪崩事件抵抗能力,并具有很寬的安全工作區(qū) (SOA)。例如,PSMN029-100HLX TrenchMOS 器件中的每個 100 V MOSFET 都具有 29 mΩ RDS(on),可處理 68 W 功率,并能夠能通過高達 30 A 的電流。

LFPAK56D 系列還采用了 NXP 的 SchottkyPlus 技術(shù),以減少尖峰和漏電流。例如,PSMN014-40HLDX 的 RDS(on) 典型值通常為 11.4 mΩ,且漏源極漏電流極低,僅為 10 nA。

要充分發(fā)揮 MOSFET 的大電流優(yōu)勢,印刷電路板的設(shè)計必須能散發(fā)高熱量并確保電氣連接穩(wěn)定可靠。多層印刷電路板具有足夠多的過孔和大而粗的銅導體軌跡,可確保高散熱性能。

避免出現(xiàn)熱擊穿

雖然完全接通的功率 MOSFET 具有熱穩(wěn)定性,但當漏電流 (ID) 較低時,就會有熱擊穿風險。在這種工作狀態(tài)下,局部發(fā)熱往往會降低柵源極的閾值電壓 (VGS(th)),這意味著器件更容易導通。這就造成了一種正反饋情況,更多的電流會導致發(fā)熱更多、VGS(th) 更低。

圖 2 顯示了恒定漏源極電壓 (VDS) 下的這種效應(yīng)。隨著 VGS 的增大,會出現(xiàn)一個稱為零溫度系數(shù) (ZTC) 的臨界 ID。大于該電流時,存在負反饋并具有熱穩(wěn)定性(藍色區(qū)域);小于該電流時,閾值壓降會占主導地位,造成可導致熱擊穿的熱不穩(wěn)定工作點(紅色區(qū)域)。


利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能圖 2:低于 ZTC 點時,MOSFET 會因熱效應(yīng)導致 VGS 下降(紅色區(qū)域)而進入熱擊穿狀態(tài)。(圖片來源:Nexperia)


這種效應(yīng)降低了低電流和高漏源極電壓下的 SOA。對于具有陡峭 dV/dt 斜坡的快速開關(guān)操作來說,這并不是一個大問題。然而,隨著開關(guān)操作持續(xù)時間的增加,例如為了減少電磁干擾,出現(xiàn)熱不穩(wěn)定性的可能性增大,并存在潛在危險。

降低高頻開關(guān)損耗

為快速開關(guān)應(yīng)用選擇超結(jié) MOSFET 時,低 QGD 至關(guān)重要,因為該參數(shù)會顯著降低開關(guān)損耗。

當漏極、柵極和源極之間同時出現(xiàn)顯著的電壓和電流變化時,開關(guān)操作過程中就會出現(xiàn)高功率損耗。較低的 QGD 會導致出現(xiàn)較短的米勒平臺 (Miller Plateau)(圖 3,左側(cè)),從而導致陡峭的開關(guān)斜率 (dVds/dt),最終降低開關(guān)導通期間的動態(tài)能量損耗(圖 3,右側(cè)藍色區(qū)域)。


利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能圖 3:較短的米勒平臺(左側(cè))意味著陡峭的開關(guān)斜率,從而導致較低的動態(tài)損耗(右側(cè)的藍色區(qū)域)。Vgp 是米勒平臺的柵源電壓;VTH 是柵極閾值電壓;IDS 是漏源電流。(圖片來源:Vishay)


抑制雪崩能量并保護 MOSFET

在電機驅(qū)動應(yīng)用中,定子線圈關(guān)斷時,坍縮磁場會維持電流流動,從而在 MOSFET 上產(chǎn)生疊加在電源電壓 (VDD) 上的高感應(yīng)電壓。然而,MOSFET 體二極管的反向擊穿電壓 (VBR) 會限制該高電壓。在所謂的雪崩效應(yīng)中,MOSFET 將流出的磁能轉(zhuǎn)換為雪崩能量 (EDS),直至線圈電流降至零。這會使半導體晶體迅速過熱。

圖 4 所示為帶有 MOSFET 開關(guān)的簡單線圈控制,以及單次雪崩事件發(fā)生前、發(fā)生期間(時間窗口 tAL)和發(fā)生后的時間信號。如果雪崩能量耗散量 (EDS(AL)S) 過高,由此產(chǎn)生的熱量將損壞半導體結(jié)構(gòu)。


利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能圖 4:MOSFET 在單次雪崩事件之前、期間 (tAL) 和之后的時序信號。(圖片來源:Nexperia)


LFPAK56D MOSFET 采用了堅固耐用的設(shè)計。根據(jù) Nexperia 實驗室測試結(jié)果,該器件可承受數(shù)十億次雪崩事件而不會損壞。考慮到最大雪崩能量,線圈驅(qū)動器級可以不使用額外的續(xù)流或箝位二極管,只使用這些 MOSFET 的雪崩工作。

電熱的在線仿真

要提高系統(tǒng)效率,僅靠簡單的品質(zhì)因數(shù) (FOM),如 RDS x QGD 產(chǎn)品是不夠的。相反,設(shè)計人員需要進行更精確的損耗分析,具體包括考慮以下原因造成的 MOSFET 損耗:

· 導通傳導性
· 導通和關(guān)斷損耗
· 輸出電容的充放電
· 體二極管的連續(xù)性和開關(guān)損耗
· 柵極電容的充電和放電

為了最大限度地降低總損耗,設(shè)計人員必須了解 MOSFET 參數(shù)與工作環(huán)境之間的關(guān)系。為此,Nexperia 為 MOSFET 建立了精密的電熱模型。這些模型結(jié)合了電氣和熱性能,并可反映 MOSFET 的所有重要特性。開發(fā)人員可使用 PartQuest Explore 在線仿真器,或?qū)?SPICE 和 VHDL-AMS 格式的模型導入其所選擇的仿真平臺。

在撰寫報告時,僅提供 LFPAK56D MOSFET 的電氣型號。因此,下面的熱仿真示例涉及不同類型的 MOSFET,即 BUK7S1R0-40H。

IAN50012 的功率 MOSFET 電熱模型互動實驗對 BUK7S1R0-40H MOSFET 在接通 36.25 A 負載電流后的三種發(fā)熱情況進行了仿真。圖 5 左側(cè)所示為三種仿真設(shè)置。


利用雙MOSFET最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的功率密度和性能圖 5:所示為使用 PartQuest Explore 在線仿真器對 MOSFET 進行的電熱仿真。(圖片來源:Nexperia)


在上部“tj_no_self_heating”(無自發(fā)熱)情況下,接線端和安裝底座直接與 0°C 環(huán)境溫度 (Tamb) 相耦合,且無熱阻 (Rth)。在中間的“tj_self_heating”(自發(fā)熱)情況下,芯片通過 Rth-j 耦合,且 Tj 升約 0.4°C。下部所示為安裝底座 (mb),通過帶有散熱片的六層 FR4 電路板的 Rth_mb 與環(huán)境溫度耦合。Tmb(綠色)上升至 3.9°C,Tj(紅色)上升至 4.3°C。

結(jié)語

LFPAK56D MOSFET 具有超低損耗,可為快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器或電機驅(qū)動器提供出色的效率和功率密度。本文討論了電路和熱 PCB 設(shè)計考慮因素以及電熱仿真,說明了設(shè)計人員如何克服堅固耐用、空間受限的高效設(shè)計所帶來的各種挑戰(zhàn)。

作者:Jens Wallmann


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