如何在我們的項(xiàng)目中選擇合適的 MOSFET 器件

隨著為個(gè)人計(jì)算機(jī) (PC) 應(yīng)用中的核心 DC-DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)的同步降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率向 1MHz-2MHz 范圍移動(dòng)，MOSFET 損耗變得更高。由于大多數(shù) CPU 需要更高的電流和更低的電壓，這一事實(shí)變得更加復(fù)雜。當(dāng)我們添加其他控制損耗機(jī)制的參數(shù)(如電源輸入電壓和柵極驅(qū)動(dòng)電壓)時(shí)，我們需要處理更復(fù)雜的現(xiàn)象。但這還不是全部，我們還有可能導(dǎo)致?lián)p耗顯著惡化并因此降低功率轉(zhuǎn)換效率 (ξ) 的次要影響。這些次要影響包括直通損耗和由電容器和指示器等效串聯(lián)電阻 (ESR) 等寄生電阻引起的損耗，印刷電路板 (PCB) 電阻和電感，最后是 MOSFET 封裝寄生電感。其他二次損耗機(jī)制是 MOSFET 的電極間電容的充電和放電，例如柵源電容 (Cgs)、米勒柵漏電容 (Cgd) 和漏源電容 (Cgs)。隨著頻率的升高，由于體二極管反向恢復(fù)引起的損耗變得更加明顯，必須加以考慮?，F(xiàn)在很明顯，為同步降壓轉(zhuǎn)換器選擇 MOSFET 不再是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作，需要一種可靠的方法來(lái)選擇最佳組合，并充分了解所有上述問(wèn)題。本文將詳細(xì)討論所有這些影響，并演示如何進(jìn)行此類選擇。

傳導(dǎo)損耗：

這些是由于電流流入 MOSFET Rdson 而導(dǎo)致的器件歐姆損耗。MOSFET M1 和 M2 的損耗可通過(guò)以下兩個(gè)等式計(jì)算：

PCHS = 高端 (HS) MOSFET 導(dǎo)通損耗

PCLS= 低端 (LS) MOSFET 導(dǎo)通損耗

Δ = 占空比 ≈ V out / V in

Iload = 負(fù)載電流

Rdson = MOSFET 導(dǎo)通電阻

Vin = 電源輸入電壓

Vout = 輸出電壓

由于 Δ 和 Iload 由應(yīng)用決定，因此必須選擇盡可能低的 Rdson

動(dòng)態(tài)損耗：

動(dòng)態(tài)損耗是由于切換 HS 和 LS MOSFET 引起的損耗，可以通過(guò)以下兩個(gè)等式計(jì)算：

PDHS = HS MOSFET 動(dòng)態(tài)損耗

PDLS = LS MOSFET 動(dòng)態(tài)損耗

tr = 上升時(shí)間

tf = 下降時(shí)間

fs = DC-DC 轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率

Vd = 體二極管導(dǎo)通電壓

其余參數(shù)同上。很明顯，我們需要盡量減少 MOSFET 的上升和下降時(shí)間。這兩個(gè)參數(shù)取決于米勒電容，通常由柵極-漏極電荷 (Qgd) 表示，其中較低的 Qgd 將導(dǎo)致更快的 MOSFET 開(kāi)關(guān)。

與傳導(dǎo)損耗相比，LS MOSFET 中的開(kāi)關(guān)損耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)?Vin 為 12 伏，Vd 約為 1 伏。

在這種情況下，對(duì)于 HS MOSFET，我們必須選擇 Qgd 盡可能低的器件。這不能獨(dú)立于 Rdson 來(lái)完成，因?yàn)樗鼈冎械拿恳粋€(gè)都取決于裸片尺寸。大多數(shù) MOSFET 制造商設(shè)計(jì)的器件能夠滿足 HS 或 LS MOSFET 的需求，實(shí)際上在開(kāi)關(guān)速度和 MOSFET 導(dǎo)通電阻(即 Qgd 和低 Rdson)的需求之間取得了折衷。

反向回收損失：

另一個(gè)損失機(jī)制是由于身體二極管反向恢復(fù)而造成的損失。這是由于HS MOSFET打開(kāi)到身體二極管。體二極管需要有限的時(shí)間來(lái)關(guān)閉，在此期間，HS MOSFET有損失。

同樣，這個(gè)損耗機(jī)制依賴于開(kāi)關(guān)頻率fs，因?yàn)樗情_(kāi)關(guān)損耗的一種形式。雖然反向恢復(fù)是由于LS MOSFET閥體二極管，但損失發(fā)生在HS MOSFET中。

這里的選擇標(biāo)準(zhǔn)是為L(zhǎng)S MOSFET獲得最低可能的Qrr和正確的Rdson結(jié)合。

擊穿損耗：

如果 LS MOSFET 被柵極驅(qū)動(dòng)器保持關(guān)閉并且 HS MOSFET 正在開(kāi)啟，則會(huì)遇到擊穿損耗。在轉(zhuǎn)換期間，柵極-漏極電容器通過(guò)由 Cgd 和 Rg//Cgs 組成的分壓器將漏極電壓耦合到柵極。如果此耦合電壓大于柵極閾值電壓 Vgth，則 LS MOSFET 將打開(kāi)，從而為電流流過(guò) HS 和 LS MOSFET 形成低阻抗路徑，從而導(dǎo)致過(guò)度損耗。

Vg (t) = 柵極電壓

a = 漏極電壓的壓擺率

Rg = 包括柵極驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的總柵極電阻

Cgs = 柵極到源極電容

Cgd = 柵極到漏極電容

顯然，Cgd 越大，耦合電壓越大。

上式代表了無(wú)交叉?zhèn)鲗?dǎo)的理論最壞情況。如果 MOSFET 在最壞情況參數(shù)分布(即最小 Cgs、最大 Cgd 和最小 Vgth)下滿足此條件，則在任何應(yīng)用中都不應(yīng)觀察到交叉?zhèn)鲗?dǎo)

圖 5 顯示了示波器圖片，上面的跡線是 LS MOSFET 漏極電壓，下面的跡線是 LS MOSFET 柵極電壓。如果觀察到的 LS MOSFET(綠色跡線)的柵極電壓達(dá)到電壓 > Vgth，則我們已經(jīng)擊穿，并且 ζ 損失。理想情況下，我們需要數(shù)百毫伏的尖峰。下部跡線是穿透的典型指紋，允許我們通過(guò)測(cè)量柵極到源極電壓來(lái)識(shí)別問(wèn)題

柵極電感效應(yīng)：

柵極驅(qū)動(dòng)電路的電路布局對(duì)于 MOSFET 的正確開(kāi)關(guān)至關(guān)重要。圖 6 是 Z 軸上的柵極電壓、Y 軸上的柵極電感和 X 軸上的時(shí)間的 3D 表示。該圖顯示了柵極引線電感對(duì)波形的巨大影響。柵極電壓振鈴可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)，從而導(dǎo)致效率 ζ 損失和電磁輻射增加。柵極引線電感必須盡可能短以避免這種影響。

最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓：

柵極驅(qū)動(dòng)電壓幅度通過(guò)以下方式控制 MOSFET 的開(kāi)關(guān)性能：

· 更高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓意味著更高的電容器充電和放電損耗，由 P closs = CXV 2 X fs給出

· 更高的驅(qū)動(dòng)電壓意味著更低的 Rdson，因此更低的功耗和更高的 ζ 。

· 柵極電壓幅度也會(huì)影響 MOSFET 的上升和下降時(shí)間。

存在將滿足所有上述條件并產(chǎn)生最高 ζ 的最佳柵極驅(qū)動(dòng)幅度。這可以通過(guò)使用不同電壓幅度的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，以確定最佳性能點(diǎn)。圖 7 顯示了 Z 軸上的最佳柵極驅(qū)動(dòng)電壓的 3D 圖，它是基于問(wèn)題的數(shù)學(xué)解法的 X 軸上的漏極電流和 Y 軸上的開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。很明顯，柵極驅(qū)動(dòng)電壓不得超過(guò)數(shù)據(jù)表推薦的高可靠性運(yùn)行水平。

最佳電源輸入電壓：

PC 市場(chǎng) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電源輸入電壓的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是 12Volt，但它是最佳水平嗎?為了幫助我們回答這個(gè)問(wèn)題，讓我們看看輸入電壓對(duì) ζ 的影響如下：

· 較高的電源輸入電壓清楚地轉(zhuǎn)化為來(lái)自電源的較少電源電流，因此對(duì)于 AC-DC 轉(zhuǎn)換器(銀盒)具有較高的 ζ

· 更高的電源輸入電壓意味著 HS MOSFET 中的更高動(dòng)態(tài)損耗

· 較高的電源輸入電壓意味著由于其占空比增加，LS MOSFET 中的傳導(dǎo)損耗較高

最佳輸入電壓可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)方法得出。圖 8 在 Z 軸上顯示了最佳輸入電壓的 3D 表示，它是 Y 軸上的負(fù)載電流和 X 軸上的開(kāi)關(guān)頻率的函數(shù)。

電源輸入電壓電平由 PC 市場(chǎng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)決定。如果我們正在設(shè)計(jì)一個(gè)兩級(jí)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，那么在為我們的特定應(yīng)用確定最佳中間電壓時(shí)考慮這一點(diǎn)是值得的。

設(shè)備包：

為我們的應(yīng)用程序選擇設(shè)備時(shí)，我們可以控制的另一個(gè)參數(shù)是包。最流行的功率 MOSFET 封裝是 SO8、DPAK 和 D2PAK 等。最重要的封裝參數(shù)是：

· 封裝熱阻。這明顯限制了功耗并控制了封裝中的散熱方案。應(yīng)始終尋求盡可能小的熱阻

· 封裝寄生電感對(duì)從 MOSFET 獲得的開(kāi)關(guān)速度有顯著影響，最終影響動(dòng)態(tài)損耗。最小的寄生電感提供最快的開(kāi)關(guān)時(shí)間

· 封裝寄生電阻。該參數(shù)通常隱藏在 Rdson 值中。

給定應(yīng)用的最佳封裝應(yīng)具有最低的寄生參數(shù)和熱阻，同時(shí)滿足指定要求

最佳操作條件：

Maple 計(jì)算軟件的使用提供了一個(gè)非常令人興奮和有效的工具來(lái)研究和理解物理現(xiàn)象，例如功率電路中的 MOSFET 開(kāi)關(guān)?；谏鲜?，我們可以說(shuō)開(kāi)關(guān)頻率、柵極驅(qū)動(dòng)和電源輸入電壓以及電路布局的基本選擇會(huì)極大地影響 MOSFET 開(kāi)關(guān)器件的損耗，從而影響整體轉(zhuǎn)換器效率 ζ。必須做出這些選擇以盡量減少這些損失。