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封装寄生电感是否会影响MOSFET性能

发布时间:2020-06-30 18:42:11 阅读: 来源:中和缓蚀剂厂家

I.引言

本文引用地址: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寄生电感时,快速开关器件接通和关断控制是关键问题。特别是,封装源极寄生电感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MOSFET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MOSFET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MOSFET

A.开关瞬态下的MOSFET操作时序

要分析快速开关MOSFET中的封装寄生电感产生的影响,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+.

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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