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封装寄生电感是否会影响MOSFET性能?

作者:时间:2015-01-06来源:网络收藏

  I.引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/267745.htm

  高效率已成为开关电源(SMPS)设计的必需要求。为了达成这一要求,越来越多许多功率半导体研究人员开发了快速开关器件,举例来说,降低器件的寄生电容,并实现低导通电阻,以降低开关损耗和导通损耗。这些快速开关器件容易触发开关瞬态过冲。这对SMPS设计中电路板布局带来了困难,并且容易引起了栅极信号振荡。为了克服开关瞬态过冲,设计人员通常采取的做法是借助缓冲电路提高栅极电阻阻值,以减慢器件开关速度,抑制过冲,但这会造成相对较高的开关损耗。对于采用标准通孔封装的快速开关器件,总是存在效率与易用性的折衷问题。

  在处理电路板布局和器件封装产生的时,快速开关器件接通和关断控制是关键问题。特别是,封装源极是是器件控制的关键因素。在本文中,英飞凌提出了一种用于快速开关超结的最新推出的TO247 4引脚器件封装解决方案。这个解决方案将源极连接分为两个电流路径;一个用于实现功率连接,另一个用于实现驱动器连接。这样一来,器件就能保持快的开关速度,同时又不必牺牲接通和关断控制能力。

  本文编排如下:在第二节,将利用硬开关升压转换器来分析并开发一个简单的高频模型,该模型采用了具备寄生参数和电路板寄生参数的标准通孔封装传统的TO247(即:电源电流路径和驱动电流路径是相同的)。第三节将对最新推出的TO247 4引脚封装做详尽的电路分析,以表明TO247 4引脚封装在开关速度、效率和驱动能力等方面的有效性。最后,第四节分析了实验波形和效率测量,以验证最新推出的TO247 4引脚封装的性能。

  II.分析升压转换器中采用传统的TO247封装的

  A.开关瞬态下的MOSFET操作时序

  要分析快速开关MOSFET中的封装产生的影响,必须十分理解MOSFET工作处理。硬开关关断通常出现在硬开关拓扑和零电压开关拓扑中。本小节将逐步分析MOSFET关断瞬态操作。图1所示为硬开关关断瞬态下,理想MOSFET的工作波形和工作顺序。

  

 

  图1升压转换器中的MOSFET的典型关断瞬态波形

  当驱动器发出关断信号后,即开始阶段1 [t=t1]操作,栅极与源极之间的MOSFET电容器Cgs将开始放电。此时,MOSFET阻断特性保持不变。这个t1阶段被称为延时,它表征着MOSFET的响应时间。当MOSFET栅源电压Vgs达到栅极平台电压Vgs(Miller)时,这个阶段便告结束。

  当Vgs与Vgs(Miller)相等之后,将进入阶段2 [t=t2],在此期间,其电压水平将保持不变。负载电流将对漏极与源极之间的MOSFET电容器Cds进行充电,以重建空间电荷区。这个阶段将一直持续至MOSFET漏源电压Vds达到电路输出电压时为止。

  阶段3 [t=t3],Cgs将继续放电。漏电流Id和Vgs开始线性下降,阻断MOSFET导通通道。当Vgs与栅极阈值电压Vgs(th)相等,并且Id变为零时,这个阶段即结束。这个阶段结束后,MOSFET将完全关断。

  阶段4 [t=t4],栅极驱动对Cgs持续放电,直至Vgs电压水平变为零。

  B.传统的TO247封装MOSFET的开关瞬态特性分析

  利用升压转换器,评估了封装寄生电感对MOSFET开关特性的影响。图2所示为传统的TO247 MOSFET等效模型的详情,以及升压转换器电路和寄生电感的详情。对于MOSFET模型,3个电容为硅结构,分别位于各个连接引脚之间:栅漏电容Cgd、漏源电容Cds和栅源电容Cgs.键合丝产生了MOSFET寄生电感:栅极寄生电感Lg1、漏极寄生电感Ld1和源极寄生电感Ls1.这个模型也包含了电路板电路布局产生的杂散电感: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.

  

 

  图2.升压转换器中的TO247封装MOSFET等效模型和寄生电感

  参照小节A中讨论的关断瞬态顺序,源极电感LS主要在瞬态阶段3影响到MOSFET开关特性。栅极驱动路径显示为红色,漏电流在蓝色环路上流动。快速电流瞬态过程中,LS引发电压降VLs,这能抵消会降低驱动能力和减慢器件速度的栅极电压。

  通过在驱动环路上运用基尔霍夫电压定律,栅源电压Vgs(t)可以表示为:

  

 

  从等式(2)和(3)可知,源极电感可以减慢开关瞬态,加剧开关过程中的有关能耗。在传统的TO247 MOSFET配置中,电路源极电感是MOSFET封装源电感Ls1与电路板布局源极电感Ls2之和。始终必须最大限度地降低封装源和电路板寄生的源极电感,因为二者均为关键控制要素。较之采用通孔封装的MOSFET,通过将无引线SMD封装用于MOSFET,可以最大限度地降低封装中的寄生源电感。因此,采用SMD封装的MOSFET也能实现快速开关,同时降低开关损耗。适用于4引脚器件的SMD封装名为“ThinkPAK 8X8”。

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关键词: 寄生电感 MOSFET

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